Разработка методики расчета индукционных установок периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок

Нагрев металла является одним из важнейших звеньев производственного процесса в металлургии, влияющий на производительность, энергои материалоемкость производства, себестоимость и качество продукции. Выбор метода нагрева существенным образом отражается на технико-экономических показателях продукции. Здесь необходимо учитывать технологичность и мобильность производства, его объемы, стоимость сырья и энергоносителей, качественные показатели продукции и другие факторы.

На сегодняшний день для сохранения имеющегося рынка сбыта требуются постоянное увеличения качества выпускаемой продукции и уменьшение издержек производства. В связи с этим происходит модернизация производственного комплекса с применением энергосберегающих технологий и приобретением нового наукоемкого оборудования.

Во многих случаях для модернизации производства целесообразно использование в процессах нагрева индукционного оборудования. Это объясняется рядом преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, отсутствие контакта между индуктором и металлом, простота управления процессом, возможность полной автоматизации, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания.

Эффективно применение индукционных нагревательных установок для нагрева заготовок в процессе механической обработки металлов, в частности, при нагреве заготовок под пластическую деформацию. По сравнению с иными методами нагрева, метод индукционного нагрева заготовок позволяет существенно сократить затраты энергоносителей, производственного времени и, в конечном итоге, снизить себестоимость продукции [1−2].

В промышленных условиях необходимо подвергать механической обработке заготовки различных геометрических размеров и физических свойств, что вызывает определенные трудности при проектировании нагревательных установок для данных изделий, и требования, предъявляемые при этом к качеству нагрева заготовок, обуславливают задачу построения таких систем.

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, так как при прессовании более горячего конца заготовки, тепло передается к более холодному концу, тем самым обеспечивая необходимую температуру металла в зоне прессового инструмента. Наиболее широко применяется градиентный нагрев таких металлов как алюминий, медь, сталь и титан.

Индукционные установки промышленной частоты для градиентного нагрева заготовок используются во многих отраслях промышленности (кабельной, авиационной, металлургической и др.) и являются весьма энергоемкими, поэтому возникает задача их совершенствования, в частности, улучшения энергетических показателей и повышения производительности.

Проблемами расчета и оптимизации режимов работы установок 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 известных работах использовались, главным образом, расчетные аналитические и экспериментальные методы для разработки процессов градиентного индукционного нагрева в установках периодического и непрерывного действия.

Для дальнейшего совершенствования установок индукционного градиентного нагрева и режимов их работы, а также для повышения качества работы всего технологического процесса в целом целесообразно использовать методы компьютерного моделирования.

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 модернизации 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 универсальные пакеты программ, позволяющие выполнять совместный анализ электромагнитного и теплового полей в процессе нагрева. Это позволяет провести компьютерное моделирование процесса индукционного градиентного нагрева и получить более достоверные результаты, а также автоматизировать процессы расчета, на базе чего могут быть разработаны инженерная методика расчета и рекомендации по проектированию нагревателей индукционного градиентного нагрева с улучшенными характеристиками.

Анализ физических процессов в индукционных установках для градиентного нагрева промышленной частоты может быть выполнен с помощью математической модели на основе численных методов. Модель должна описывать взаимодействие электромагнитного и теплового полей в системе «многослойный индуктор — магнитопровод — заготовка».

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 трехста-дийного 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 индуктормагнитопровод — 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 — XIX 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 X международных научно-практических интернет-конференциях «Энергои 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.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разра ботаны математические модели с использованием пакета ELCUT для исследования процесса индукционного градиентного нагрева на промышленной частоте для симметричного и несимметричного расположения заготовки в однои двухсекционном индукторе соответственно, позволяющие определять энергетические характеристики установки и распределение температуры в заготовке.

2. Док азана адекватность разработанных математических моделей путем сравнения результатов расчета и эксперимента, проведенного на промышленной установке (отличие результатов по энергетическим характеристикам и температуре не превышает 10%).

3. Исследов ано влияние геометрических размеров и электро — и теплофизи-ческих параметров нагреваемой заготовки и индуктора на распределение температуры в заготовке и энергетические характеристики установки, и показана возможность градиентного нагрева заготовок различного диаметра и длины в одном индукторе без существенного снижения энергетических характеристик (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 варианта индуктора с учетом сложности его изготовления должен основываться на результатах полного технико-экономического расчета.

5. Разра ботана методика расчета электрои теплотехнических характеристик установок индукционного градиентного нагрева промышленной частоты (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 требуемыми 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.