Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

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

Диссертация: Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

На основе проведённого анализа индукционных печей с металлическим секционированным тиглем и экраном установлено, что путём подбора числа, материала и профиля (толщина стенки и наличие вертикального разреза на её наружной поверхности) секций можно существенно улучшить их энергетические показатели и, следовательно, уменьшить расход охлаждающей воды. В программном пакете ЛЫБУБ разработана трёхмерная… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Литературный обзор индукционных печей с металлическим тиглем (экраном)
    • 1. 1. Конструкции, технологические процессы и характеристики индукционных печей с холодным тиглем
    • 1. 2. Индукционная печь с керамическим тиглем и защитным тепловым экраном
    • 1. 3. Особенности работы индукционных печей с холодным тиглем
    • 1. 4. и тепловым экраном
    • 1. 5. Существующие методы расчёта ИПХТ и ИТП
    • 1. 6. Задачи диссертационной работы
  • Глава 2. Разработка и исследование трёхмерной математической модели индукционных печей с металлическим секционированным тиглем или экраном)
    • 2. 1. Постановка задачи
    • 2. 2. Выбор средства компьютерного моделирования. Общие особенности программного пакета АЫБУБ
    • 2. 3. Математическая модель индукционных печей с металлическим секционированным тиглем (или экраном)
      • 2. 3. 1. Принятые допущения и особенности моделирования
      • 2. 3. 2. Алгоритм решения стационарной электромагнитной задачи в А№У
    • 2. 4. Исследование математической модели
      • 2. 4. 1. Влияние шага разбиения на КЭ по радиусу и высоте проводящих областей модели
      • 2. 4. 2. Влияние шага разбиения на КЭ и размеров непроводящих областей модели
      • 2. 4. 3. Влияние толщины переходного слоя между загрузкой и ХТ (ТЭ)
      • 2. 4. 4. Влияние толщины изоляции между секциями ХТ (ТЭ)
      • 2. 4. 5. Взаимодействие секций ХТ (ТЭ)
    • 2. 5. Проверка адекватности математической модели
    • 2. 6. Выводы по главе
  • Глава 3. Исследование влияния геометрических и электрофизических параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ
    • 3. 1. Постановка задача
    • 3. 2. Влияние числа секций ХТ
    • 3. 3. Влияние материала и профиля секций ХТ
    • 3. 4. Выводы по главе
  • Глава 4. Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями
    • 4. 1. Постановка задачи
    • 4. 2. Программа ВШеРогА
    • 4. 3. Алгоритм методики
    • 4. 4. Апробация разработанной методики
    • 4. 5. Возможности применения и развития
    • 4. 6. Выводы по главе

Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

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 °Свнутренний диаметр тигля 60−600 ммчастота 0,05−30 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников) и 0,5−10 МГц (плавка оксидных материалов) — потребляемая мощность 60−2000 кВт и болеепроизводительность 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 °C, 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 проектирования 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.

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В программном пакете АЫЗУБ 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.

2. 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 Гцсекции из нержавеющей стали при толщине стенки мм для частот 0,05−10 кГц.

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

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем: 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.

На защиту выносятся следующие основные положения:

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.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в [79−82].

Заключение

.

В результате проведённых в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основе проведённого анализа индукционных печей с металлическим секционированным тиглем и экраном установлено, что путём подбора числа, материала и профиля (толщина стенки и наличие вертикального разреза на её наружной поверхности) секций можно существенно улучшить их энергетические показатели и, следовательно, уменьшить расход охлаждающей воды.

2. В программном пакете ЛЫБУБ разработана трёхмерная математическая модель индукционной печи с холодным тиглем или тепловым экраном, позволяющая исследовать и количественно оценить влияние его параметров на электромагнитные потери. Модель учитывает конструктивные особенности реального тигля или экрана (секционирование, наличие разреза).

3. Проведены исследования и выработаны рекомендации по подбору параметров модели (шагов разбиения на конечные элементы, согласования между собой и границ расчётных областей), позволяющих повысить точность расчёта и сократить его время. Доказана адекватность модели путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физической модели холодного тигля.

4. По результатам проведённого на модели исследования установлено, что на электромагнитные потери в холодном тигле (тепловом экране) помимо материала влияет число секций, причём неоднозначно: с увеличением числа медных секций потери растут и, наоборот, уменьшаются для секций из нержавеющей стали.

5. С помощью модели проведено исследование эффективности разреза в секциях тигля (экрана). Получена зависимость электромагнитных потерь в тигле (экране) от геометрии секций и частоты. Установлено, что сплошной разрез уменьшает эти потери в 2,5−5 и более раз в медных секциях при частоте от 50 Гц до 500 Гц (толщина стенки 4 мм — стандартный арочный профиль) и 2400 Гц (стенка 1−2 мм), а в секциях из нержавеющей стали при частоте 0,05−10 кГц (стенка мм).

6. Разработанная на основе проведённых исследований методика проектирования была опробована на двух печах: ИПХ’Г ёмкостью 440 кг по титану — расчётная мощность источника питания снижена на 15,7% (470 кВт), расход охлаждающей тигель воды на 23,3% (31,2 м3/ч) — ИСТ-0.16, дополненной ТЭполезная мощность незначительно снижена на 12% (9,6 кВт), а электрический и общий к.п.д. на 7,2% и 12,1%.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ю.Б., Ратников Д. Г. Холодные тигли. М.: Металлургия, 1972. -112 с.
  2. Тир Л.Л., Фомин Н. И. Современные методы индукционной плавки. -М.: Энергия, 1975.-112 с.
  3. Тир JI. JL, Губченко А. П. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. М.: Энергоатомиздат, 1988. — 120 с.
  4. В.М., Добровольская В. И., Ратников Д. Г. Индукционный нагрев при производстве особо чистых металлов. JL: Машиностроение, 1980.-64 с.
  5. A.B., Моржин А. Ф. Электрические печи (для производства стали). М.: Металлургия, 1975. 352 с.
  6. A.c. № 113 211 (СССР). Индукционный метод плавки химически активных металлов в тигле из того же металла / Н. П. Глуханов, Р. П. Жежерин, М. А. Мелихов и др. // Открытия. Изобретения. 1958. № 5.
  7. М.Г. Индукционная плавка в гарнисаже. «Теплофизика высоких температур», 5, 1967. № 3, с. 485 — 491.
  8. A.c. № 309 957 (СССР). Электропечь для плавки металлов / JI.JI. Тир // Открытия. Изобретения. 1971. № 23.
  9. Тир JI. JL, Губченко А. П., Фомин И. П. Тенденции развития индукционных печей с холодным тиглем // Исследования в области промышленного элекгронагрева. Труды ВНИИЭТО, 1979. Вып. 10. С. 31 38.
  10. Miihlbauer А. Materialfragen beim dichten hochreinen, einkristalliren Siliziums aus «kalten» Tiegeln. «Elektrowarme», 1966, Bd. 24, № 10,1. S. 367−374,
  11. Патент 518 499 (Германия), 1926.
  12. Schippereit G.H. Induction furnace. Патент США JIT 3.223.519, 1957.
  13. A.c. № 627 694 (СССР). Индукционная вакуумная печь для непрерывной плавки редких металлов / А. П. Губченко // Открытия. Изобретения. 1978. № 9.
  14. A.c. № 616 508 (СССР). Губченко А. П. Индукционная печь для непрерывной плавки тугоплавких и высокореактивных металлов, 1978,
  15. A.c. № 841 467 (СССР). Тигель для плавки тугоплавких материалов / А. П. Губченко, A.A. Простяков, СЛ. Шеффер // Открытия. Изобретения. 1979. № 5.
  16. A.c. № 881 509 (СССР). Индукционная плавильная печь / СЛ. Шеффер, А. П. Губченко, ЛЛ. Тир, О. Н. Турпак // Открытия. Изобретения. 1981. № 42.
  17. A.c. № 1 067 337 (СССР). Индукционная плавильная печь / А. П. Губченко, СЛ. Шеффер, Н. М. Слотинцев, Е. И. Рытвин, В. В. Батулькин, В. М. Кузьмин, СЛ. Рогинский, В. И. Дрейцер, А. Д. Масин // Открытия. Изобретения. 1984. № 2.
  18. A.c. № 1 120 154 (СССР). Металлический охлаждаемый тигель / ЛЛ. Тир, А. П. Губченко, СЛ. Шеффер, Н. И. Фомин // Открытия. Изобретения. 1984. № 39.
  19. A.c. № 1 397 690 (СССР). Холодный тигель для плавки металлов / В. П. Махряев, А.П. Губченко// Открытия. Изобретения. 1988. № 19.
  20. A.c. № 1 749 678 (СССР). Секционный охлаждаемый тигель для индукционной плавки / А. Н. Ергин, P.M. Саламов, Н. И. Фомин // Открытия. Изобретения. 1992. № 27.
  21. А.П. Плавка и кристаллизация расплава в электромагнитном тигле на опоре //Магнитная гидродинамика, 1986. № 1. С. 132.
  22. Д.Г. Индукционный нагрев полых разностенных тел. Электричество, 1963, № 6, с. 50.
  23. Т.В., Гладенков А. Б., Рыжиков В. И., Зяблов В. А., Щербаков Э. В., Ергн А. Н. Кузовлев И.В., Губченко А.П. RU 2 016 344 С1. Способ заделки зазоров в изделиях, 1994.
  24. Исследования по повышению энергетических показателей индукционных электропечей с холодным тиглем / А. П. Губченко, JI.JI. Тир, C.JI. Шеффер, А. Н. Ергин // Электротехническая промышленность. Электротермия. 1983. Вып. 9. С. 13.
  25. A.c. № 916 937 (СССР). Тигель для индукционной плавки металлов и сплавов и способ его изготовления / А. П. Губченко, М. Б. Гутман, A.A. Простяков, В. М. Пылаев, В. А. Сафиулин, J1. J1. Тир, Ю. П. Шкретов, А. Н. Ергин // Открытия. Изобретения. 1982. № 12.
  26. A.c. № 985 684 (СССР). Тигель для высокочастотной индукционной плавки металлов / А. П. Губченко, СЛ. Шеффер, Ю. П. Шкретов // Открытия. Изобретения. 1982. № 48.
  27. A.c. № 1 032 868 (СССР). Индукционная плавильная печь / C.JI. Шеффер, А. П. Губченко, Л. Л. Тир, О. Н. Турпак // Открытия. Изобретения. 1987.3.
  28. A.c. № 1 027 497 (СССР). Секционированный охлаждаемый тигель / Л. Л. Тир, А. П. Губченко, С. Л. Шеффер, Н. И. Фомин // Открытия. Изобретения. 1983. № 25.
  29. Л.Л. Тир, М. Я. Столов. Электромагнитные устройства для управлений циркуляции расплава в электропечах. М.: Металлургия, 1975. 224 с.
  30. А.П. Расчёт электромагнитной системы индукционной печи с разрезным металлическим тиглем // Исследования в области промышленного электронагрева. Тр. ВНИИЭТО. М.: Энергия, 1979. С. 39 -45.
  31. B.C., Слухоцкий А. Е. Расчёт параметров коротких индукторов с помощью схем замещения // Промышленное применение токов высокой частоты. Л.: Машиностроение, 1970. С. 26 35.
  32. М.А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.
  33. Н.И. Определение параметров системы индуктор-тигель-садка в индукционных печах с холодным тиглем. Исследование в области промышленного электронагрева. Труды ВНИИЭТО, 1975, вып. 7, с. 65 — 71.
  34. Тир Л. Л. Математическое моделирование электромагнитных и гидродинамических полей в индукционных печах с холодным тиглем // Исследования и разработка индукционных плавильных печей. Сборник научных трудов ВНИИЭТО. М.: Энергоатомиздат, 1986, С. 80 88.
  35. Н.В., Павлов С. И., Тир JI.JI. Расчёты электромагнитных, энергетических и гидродинамических характеристик индукционной печи с холодным тиглем (двумерная модель). Магнитная гидродинамика, 1984, № 2.
  36. Cold Crucible Induction Melter Technology: Results of Laboratory Directed Research and Development. D. Gombert, J. G. Richardson. September 2001. Idaho National Engineering and Environmental Laboratory Bechtel BWXT Idaho, LLC.
  37. Cold-crucible design parameters for next generation HLW melters. Dr.
  38. Experimental and numerical study of the cold crucible melting process.
  39. Induction Skull Melting of Oxides and Glasses in Cold Crucible. B. Nacke, M. Kudryash, T. Behrens, B. Niemann, D. Lopukh, A. Martynov, S. Cliepluk. International Scientific Colloquium. Modelling for Material Processing. Riga, June 8−9, 2006.
  40. Ю.Б. Петров, АЛО. Печенков, Д. Б. Лопух, A.M. Любомиров, А. П. Мартынов. Индукционная плавка оксидов в холодных тиглях. Перспективные материалы, № 6, 1999, с. 72 77.
  41. И. В., Шатунов А. Н., Печенков А. Ю. Программа расчёта электромагнитных параметров индукционной системы с разрезным проводящим тиглем. № 2 007 614 478. Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. М.: ФГУ ФИПС, 2008. — № 1.
  42. A.M. Исследование процесса и разработка оборудования получения оксидных гранул с использованием индукционной плавки в холодном тигле. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. ЛЭТИ. Санкт-Петербург, 1993.
  43. Получение кремния солнечного качества с использованием непрерывной индукционной плавки в холодном тигле. В. В. Кичигин, И. В. Позняк, А. Ю. Печенков, А. Н. Шатунов, А. И. Максимов. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». С.-Петерб., № 4, 2011С. 53 — 57
  44. В.В. Моделирование и исследование технологии получения мультикристаллического кремния в индукционной печи с холодным тиглем. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. ЛЭТИ. Санкт-Петербург, 2011.
  45. A.B. Исследование тепловых и электрических параметров плавки оксидов и стёкол в индукционной печи с холодным тиглем. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. ЛЭТИ. Санкт-Петербург, 2011.
  46. A.B. Режимы работы индукционного плавителя с холодным тиглем для остекловывания радиоактивных отходов. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. МИФИ. Москва, 2012.
  47. Д.Б. Лопух. Современные направления и новые результаты исследований индукционных печей с холодными тиглями (ИПХТ). Индукционный нагрев, № 6, 2008, — С. 27 37
  48. A.B. Шкульков, Ю. В. Черпак, С. А. Позигун, A.A. Лясковский, В. Б. Андриенко. Солнечная энергетика и возможности индукционной гарни-сажной плавки в холодном тигле для получения солнечного кремния (обзор). Индукционный нагрев, № 9, 2009, — С. 16−19
  49. Д.Б. Лопух, Б. С. Полеводов, С. И. Чеплюк, Д. А. Роуч, А. П. Мартынов, A.B. Вавилов. Математическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле. Индукционный нагрев, № 9, 2009 С. 23 — 29
  50. Д. Б. Лопух, А. В. Вавилов, А. П. Мартынов, Дж. Э. Роуч, Дж. Г. Ричардсон. Исследование электрических параметров индукционной плавки в холодном тигле. Индукционный нагрев, № 12, 2010.- С. 20 31
  51. Д.Б. Лопух, A.B. Вавилов, А. П. Мартынов, Дж. Э. Роуч, Дж. Г. Ричардсон. Исследование электрических параметров индукционной плавки в холодном тигле. Индукционный нагрев, № 14, 2010 С. 30 — 41
  52. Д.Б. Лопух, Б. С. Полеводов, С. И. Чеплюк, А. П. Мартынов, A.B. Вавилов, Д. А. Роуч. Численная 2D электрогидродинамическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле при двухчастотном нагреве ванны. Индукционный нагрев, № 15, 2011.- С. 23 27
  53. С.А. Моделирование индукционных систем с наружными и внутренними электропроводящими экранами. // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Сб. материалов VIII Междунар. научн.-практич. интернет-конференции. Орёл, 2010. С. 44.
  54. А.Б., Морозов Е. М., Олфёрова М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. — 272 с.
  55. А.В., Кравчук А. С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ. Пособие. М.: Машиностроение 1, 2004. — 512 с.
  56. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. -640 с.
  57. К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. М.: ДМК Пресс, 2006. — 248 с.
  58. ANSYS electromagnetic field analysis guide. ANSYS Inc, 1998.
  59. Шпак Ю.А. Delphi 7 на примерах / Под ред. Ю. С. Ковтанюка. К.: Издательство Юниор, 2003. 384 с.
  60. Бакженова И.Ю. Delphi 7. Самоучитель программиста. М.: Кудиц-Образ, 2003.-448 с.
  61. Стивене P. Delphi. Готовые алгоритмы. Пер. с англ. Мерещука П. А. 2-е изд., стер. — М.: ДМК Пресс- Спб.: Питер, 2004. — 384 с.
  62. Delphi 7. Учебный курс / С. И. Бобровский. СПб.: Питер, 2004. — 736 с.
  63. Иллюстрированный самоучитель по Delphi 7 для начинающих, 2011.
  64. А.Б. Кувалдин, С. А. Васильев. Исследование электрических потерь в холодном тигле индукционной печи с использованием трёхмерного моделирования. Индукционный нагрев, № 21, 2012. С. 16−21.
  65. С.А. Исследование параметров индукционных печей с холодным тиглем. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XIX Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. С. 293.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?