Sb99052

Далее необходимо выбрать в настройках цепи мощность. Для определения электрического КПД можно задать любую небольшую мощность, отличную от нуля.

В поле «Частота» вначале задать заведомо большую частоту тока 440…1000 кГц, а потом ее с каждым расчетом снижать.

Спомощью пункта меню «Команды → Расчет» выполняется расчет про-

цесса.

Спомощью пункта меню «Команды → Постпроцессор → Отчет» от-

крыть результаты расчета для проверки значения электрического КПД.

2.3.3. Выбор оптимальной толщины футеровки

Для оптимизации толщины футеровки потребуется несколько итераций расчетов.

С помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Температура»

следует задать начальную температуру заготовки 1000 ºС.

Впунктеменю«Команды→Препроцессор→Стадиирасчета» оставить данные, соответствующие найденной оптимальной частоте.

Далее изменить толщину футеровки («Команды → Препроцессор → Футеровка») и в соответствии с формулой Dинд D2 2hфут 2hзазор также из-

менить диаметр индуктора («Команды → Препроцессор → Индукторы»).

С помощью пункта меню «Команды → Постпроцессор → Отчет» от-

крыть результаты расчета для проверки значения полного КПД.

2.3.4. Нагрев в режиме постоянной мощности

Выбор мощности определяется, исходя из ограничения на максимальный теплоперепад по радиусу детали в среднем сечении. Если мощность возрастает, то увеличивается теплоперепад и производительность, а если мощность снижается, то теплоперепад и производительность уменьшаются.

С помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Температура»

следует задать начальную температуру заготовки 20 ºС.

Затем с помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Стадии расчета» задать шаг по времени. Чем больше шаг, тем быстрее и с меньшей точностьюбудетпроисходитьрасчет. Рекомендуемыйшаг: 5 с– дляпромежуточных расчетов и 1 с – для окончательного расчета.

Далее необходимо выбрать параметр «Максимальная температура» и в поле «Температура» ввести требуемую температуру нагрева.

11

Мощность, подаваемуюнаиндуктор, нужноподобратьвтечениерядарасчетов, исходяиззаданноготеплоперепадапорадиусудеталивсреднемсечении.

С помощью пункта меню «Команды → Расчет» выполняется расчет процесса.

Результаты оцениваются с помощью пункта меню«Команды → Постпроцессор → Графики», а производительность отображается в расчетном окне.

2.3.5. Уменьшение теплоперепада в продольном сечении

Одна из причин неравномерного нагрева по длине – это тепловые потери с торцов детали. Обеспечить требуемый теплоперепад по длине детали можно за счет регулирования степени краевого эффекта. Стоит отметить, что на степень краевого эффекта влияют частота тока и глубина заглубления детали в индуктор.

Увеличение частоты приводит к более яркому проявлению краевого эффекта (перегрев торцов детали), но в то же время изменение частоты вызовет изменениеидругихпараметровсистемы. Например, увеличитсятеплоперепад по радиусу, что снова потребует подбора мощности. В связи с этим целесообразно попытаться компенсировать охлаждение торцов с помощью увеличения заглубления детали в индуктор. В случае, если этого окажется недостаточно, в пункте меню «Команды → Препроцессор → Потери» надо включить с правойилевойсторонфутеровку, задатьеетолщину15 ммиматериал«chamotte», имитируя таким образом наличие пассивных заглушек.

2.3.6. Согласование с источником питания

Чтобы определить число витков индуктора, необходимо провести серию расчетов. Сначала можно условно принять число витков w Lинд / 20 (округ-

лить до ближайшего целого), а коэффициент заполнения g 0,8. Окончатель-

ный выбор делается с учетом конструктивных особенностей, а также следующих ограничений: плотность тока в индукторе не должна превышать 150 А/мм2 для активного сечения, напряжение на индукторе не может превышать номинальное напряжение источника питания.

2.3.7.Расчет в режиме задания напряжения

Впункте меню «Команды → Препроцессор → Стадии расчета» вместо режима мощности задать режим напряжения и ввести номинальное напряжение источника питания. Изменяя число витков и производя новые расчеты,

12

следует добиться минимальной неравномерности температурного поля, котораянаиболеесоответствовалабы результатам, полученнымврежимепостоянной мощности.

2.4.Содержание отчета

1.Название, цель работы.

2.Основные конструктивные характеристики индукционной системы (геометрические размеры загрузки, индуктора и футеровки, число витков

ит. п.).

3.Рисунки и таблицы распределения температурного поля по длине и объему заготовки с выводимыми на экран расчета параметрами (ток, напряжение, мощность, КПД, производительность, температуры) для режимов посто-

янной мощности и напряжения: «Команды → Постпроцессор → Отчет → Результаты», «Команды → Постпроцессор → Отчет → Начальные данные», «Команды → Постпроцессор → Графики → Вкладки 3 и 6 (при конеч-

ном времени нагрева)».

4.Описать, каким способом достигнута заданная точность, с помощью каких параметров производилась оптимизация, достигается ли требуемая производительность, сравнить выбранную частоту с рекомендованной.

5.Выводы по работе.

Практическое занятие № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО НАГРЕВА СТАЛЬНОЙ

ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ С ДИСКРЕТНЫМ ПЕРЕТАЛКИВАНИЕМ

Цели работы: изучение изменения электрических параметров индуктора в процессе нагрева заготовки с дискретным переталкиванием; сравнение статического и дискретного режимов нагрева.

3.1.Основные сведения

Внагревателе методического действия размещаются друг за другом несколько относительно коротких заготовок. По мере нагрева они выталкиваются одна за другой и заменяются «холодными». В процессе нагрева каждая заготовка перемещается через определенные заданные промежутки времени на длину одной заготовки и таким образом проходит через весь индуктор.

13

Недостатками такой конструкции являются: невозможность нагрева одиночных заготовок, сравнительно быстрое истирание направляющих, увеличение длины установки. Однако нагреватели методического действия по сравнению с нагревателями периодического действия могут позволить увеличить производительность и/или уменьшить конечный теплоперепад по сечению нагреваемых деталей.

3.2. Исходные данные

Исходные данные следует взять из практического занятия № 2.

Таблица 3.1

Максимальное количество заготовок в установке с дискретным переталкиванием

3.3. Моделирование в пакете UNIVERSAL 2D

3.3.1.Нагрев в режиме постоянной мощности

Спомощью пункта меню «Файл → Новый → Дискретный режим» вы-

бирается режим работы нагревателя. Затем с помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Загрузка» задаются параметры нагреваемой заготовки.

Геометрия заготовок задается так же, как и в статическом режиме, однако появляется несколько дополнительных параметров:

«Заготовок в индукторе» – определяет максимальное количество заготовок, которое можно одновременно расположить в индукционном нагревателе. Задается согласно табл. 3.1.

«Начальная загрузка» – начальное (на момент старта) количество заготовок в индукторе (следует установить равное 1).

С помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Индукторы»

необходимо задать индуктор, в котором будет осуществляться нагрев детали. Длина индуктора в дискретном режиме определяется по следующей формуле:

Lинд LдN 2σ,

где Lинд – длина индуктора; N – максимальное количество заготовок в индукторе; Lд – длина детали; σ – величина заглубления, равная 0,5D2 .

14

Футеровка задается с помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Футеровка» так же, как в практическом занятии № 2 по всей длине индук-

тора Lфут Lинд.

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Температура»

следует задать начальную температуру заготовки 20 ºС.

В пункте «Стадии расчета» задать «Время сдвижки», которое приблизительно можно определить как время нагрева детали в практическом занятии

№2 поделенное на максимальное количество заготовок N. «Делитель шага» – это целое число, которое управляет точностью расчета. Для того чтобы расчет производился с шагом 1 с задайте «Делитель шага» наиближайшим целым числом к «Времени сдвижки». Число сдвижек должно быть больше числа заготовок в индукторе, это позволит системе выйти на стационарный режим нагрева.

Далее необходимо выбрать в настройках цепи мощность в N раз больше, чем в статическом режиме практического занятия № 2.

Спомощью пункта меню «Команды → Расчет» выполняется расчет про-

цесса.

Результаты оцениваются с помощью пункта меню «Команды → Постпроцессор → Графики», а производительность отображается в расчетном окне.

Перед расчетом в режиме напряжения надо выбрать количество витков в соответствии с указаниями 2.3.6 практического занятия № 2.

3.3.2.Расчет в режиме задания напряжения

Впункте меню «Команды → Препроцессор → Стадии расчета» вместо режима мощности необходимо задать режим напряжение и ввести номинальноенапряжениеисточникапитания. Следуетскорректироватьколичествовитков так же, как в практическом занятии № 2.

3.4.Содержание отчета

1.Название, цель работы.

2.Основные конструктивные характеристики индукционной системы (геометрические размеры загрузки, индуктора и футеровки, число витков

ит. п.).

15

3.Рисунки и таблицы распределения температурного поля по длине и объему заготовки с выводимыми на экран расчета параметрами (ток, напряжение, мощность, КПД, производительность, температуры): «Команды→Пост-

процессор → Отчет → Результаты», «Команды → Постпроцессор → Отчет → Начальные данные». «Команды → Постпроцессор → Графики → Вкладки 3 и 6 (при конечном времени нагрева)».

4.Описание способа, которым достигнута заданная точность, а также параметров, с помощью которых производилась оптимизация.

5.Сравнить параметры нагрева в дискретном и статическом режимах из практического занятия № 2.

6.Выводы по работе.

Практическое занятие № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА УСКОРЕННОГО НАГРЕВА НА ПРИМЕРЕ НЕПРЕРЫВНОГО НАГРЕВА СТАЛЬНОЙ

ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ

Цели работы: исследовать процесс ускоренного нагрева заготовки из нержавеющей стали в установке непрерывного действия из трех индукторов; сравнить полученный результат с результатом нагрева в одном индукторе непрерывного действия.

4.1.Основные сведения

Ввысокопроизводительных индукционных установках для сквозного нагрева применяется режим, характеризующийся приблизительно постоянной температурой поверхности, который часто называют скоростным, или ускоренным нагревом. Этот режим требует или специального регулирования мощности (если используется периодический нагреватель), или специальной конструкции индуктора (при непрерывно-последовательном нагреве, а также при использовании нагревателей непрерывного действия).

Вчистом виде режим нагрева с постоянной температурой поверхности невозможен, так как в момент включения удельная мощность должна быть бесконечно большой. Однако на практике температура поднимается быстро в течение промежутка времени, который значительно меньше, чем общая длительность нагрева, а затем температура поддерживается постоянной. Начальная мощность может быть в 10…20 раз больше, чем конечная.

16

4.2. Исходные данные

Номинальная мощность источника питания – 250 кВт, частота тока – 1 кГц, три индуктора подключены.

Материал нагреваемой заготовки – нержавеющая сталь («stainless_steel»), температура нагрева – 1200 ºС, максимальный допустимый теплоперепад – 100 ºС.

Расстояние между индукторами должно быть равным диаметру заготовки, воздушный зазор между заготовкой и футеровкой – не менее 15 мм, толщина футеровки – не менее 15 мм.

17

4.3.Моделирование в пакете UNIVERSAL 2D

4.3.1.Нагрев в трех индукторах

Спомощью пункта меню «Файл → Новый → Непрерывный режим» вы-

бирается режим работы нагревателя.

Затем с помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Загрузка»

необходимо задать параметры нагреваемой заготовки. Параметры загрузки задаются аналогичным образом, как в предыдущих заданиях, за исключением некоторых пунктов. Так как в данном режиме заготовка моделируется как загрузка бесконечной длины, важным параметром выступает «Длина зоны», т. е. длинарассматриваемой(моделируемой) зонынагрева. Этотпараметрзадается равным полной длине нагревателя с учетом некоторого выступа детали с обоих концов. Длина выступа соизмерима с диаметром детали.

«Элементов в начальной заготовке» – параметр характеризует геометрическое положение загрузки при начале нагрева (как правило, равняется 1).

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Температура»

следует задать начальную температуру заготовки 20 ºС.

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Индукторы» за-

дать параметры трех индукторов: их расположение, геометрические параметры и количество витков. Первоначально в каждом индукторе количество витков можно принять, исходя из соотношения w Lинд / 20. Согласно техни-

ческому заданию имеется один источник питания, и индукторы подключены к нему параллельно, поэтому имя цепи для каждого индуктора должно быть свое. При задании расположения индукторов следует учитывать, что между ними должны размещаться ролики, а также выступ детали с обоих концов нагревателя.

Затем необходимо задать параметры футеровки, выбрав пункт меню

«Команды → Препроцессор → Футеровка». Для каждого индуктора футе-

ровка должна быть своя, и она должна соответствовать его геометрическим параметрам.

C помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Стадии рас-

чета» следует задать скорость перемещения заготовки (первоначально 0,5 см/с) и время, в течение которого моделируется непрерывный нагрев. Так как нагревателю надо выйти на стационарныйрежим работы, то время нужно

18

задать в несколько раз больше, чем требуется элементу детали, чтобы пройти через всю установку.

Далее надо задать частоту тока, электрические цепи установить в режим напряжения и задать в трех цепях одинаковое значение (первоначально

100 В).

После этого провести серию расчетов, изменяя количество витков в индукторах и их напряжение, чтобы сымитировать режим ускоренного нагрева. Дляэтого надо добиться, чтобытемпературана поверхности детали после выхода из первого индуктора была более-менее близка к заданной температуре нагрева, а в следующих двух индукторах поддерживалась на этом уровне.

После выполнения данного этапа необходимо проверить не нарушены ли ограничения, накладываемые техническим заданием, а именно: суммарная мощностьтрехцепейнедолжнапревышать250 кВт, иконечныйтеплоперепад по радиусу должен быть не более 100 ºС. Если техническое задание не выполняется, то надо снизить скорость движения детали и заново подобрать в трех цепях одинаковое напряжение.

Вслучае, если мощность нагревателя ниже номинальной и полученный теплоперепаднижетребуемого, необходимоувеличитьскоростьдвижениядеталиинапряжениецепей(чтобыподнятьпроизводительность). Возможно, потребуется скорректировать количество витков.

4.3.2.Нагрев в одном индукторе

Вэтой части задания нужно смоделировать установку из одного индуктора и обеспечить нагрев до той же температуры поверхности, с такой же производительностью. Необходимо задать скорость движения заготовки, аналогичную полученной в ходе нагрева в трех индукторах, задать геометрические параметры установки (длина индуктора равна длине трех индукторов из предыдущей части работы) и определить мощность, подаваемую на индуктор.

4.4.Содержание отчета

1.Название, цель работы.

2.Основные конструктивные характеристики индукционной системы (геометрические размеры загрузки, индукторов и футеровок, число витков

ит. п.).

19

3.Рисунки и таблицы распределения температурного поля по длине и объему заготовки с выводимыми на экран расчета параметрами (ток, напряжение, мощность, КПД, производительность, температуры).

4.Сравнениерезультатовускоренногонагревавтрехиндукторахснагревом в одном индукторе.

5.Выводы по работе.

Практическое занятие № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ РАВНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ НАГРЕВЕ ТИТАНОВОЙ

ЗАГОТОВКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Цельработы: исследованиезависимостипредельнойравномерноститемпературного поля от величины заглубления при нагреве цилиндрической титановой заготовки виндукторепериодическогодействия сучетом разныхтепловых потерь с поверхности торцов.

5.1. Основные сведения

Основные недостатки, ограничивающие применение индукционного нагрева в титановом производстве, связаны с трудностями формирования равномерного температурного поля.

Вследствие скин-эффекта при индукционном нагреве тепловые источники распределены по сечению заготовки крайне неравномерно: максимальное тепловыделениепроисходитнаповерхности, сувеличениемрасстоянияотповерхности интенсивность источников тепла резко падает. Соответственно поверхностныеслоиимеютболеевысокуютемпературу, чемсередина, причемэтаразность температур тем больше, чем больше мощность, на которой осуществляется нагрев, и чем выше частота тока. При этом по мере разогрева заготовки происходит рост тепловых потерь в окружающую среду. Это приводит к качественномуизменениютемпературногополя, вследствиеувеличившихсяпотерь с поверхности образуется зона в глубине заготовки, имеющая более высокую температуру, чем поверхность. Это явление наблюдается при индукционном нагреве всех металлов, однако для титановых сплавов оно проявляется чрезвы- чайнояркоиз-занизкойтеплопроводностиивысокогоуровнятепловыхпотерь. В связи с этим для некоторых технологий, чтобы оценить возможность применения индукционного нагрева, необходимо провести анализ предельно достижимой равномерности температурного поля.

20