Sb99052

Изтеории индукционного нагрева следует, что предельно достижимую равномерность можно достичь в индукторе периодического действия, используя принципы ускоренного нагрева. При этом надо стремиться к тому, чтобы после нагрева в среднем поперечном сечении температура поверхности была равна температуре центра. Такое распределение можно получить в случае режима ускоренного нагрева с перегревом поверхности относительно конечной температуры.

5.2. Исходные данные

Максимальная мощность источника питания – 400 кВт, частота тока – 1 кГц.

Воздушный зазор между заготовкой и футеровкой – минимум 10 мм, толщина футеровки – минимум 10 мм, материал футеровки – шамот («chamotte»).

Материал заготовки – титан («titanium»), температура нагрева – 750 ºС.

5.3. Моделирование в пакете UNIVERSAL 2D

21

5.3.1.Ввод базовых параметров модели

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

бирается периодический (статический) режим работы нагревателя. Затемс помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Загрузка» необходимо задать параметры нагреваемой заготовки. Различные варианты заготовок представлены в табл. 5.1. В поле «Элементов в заготовке» надо задать количество элементов по длине детали, на которые она будет разбиваться при вычислениях(влияетнаточностьивремярасчета). Рекомендуетсявыбратьколичество элементов от 100 до 200.

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Температура»

следует задать начальную температуру заготовки 20 ºС.

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Индукторы»

задать индуктор, в котором будет нагреваться деталь. В начале расчета длину индуктора надо взять равную длине детали. Так как расчет будет производиться в режиме мощности, то количество витков можно задать равное 1.

Далее необходимо задать параметры футеровки с помощью пункта меню

«Команды → Препроцессор → Футеровка». Длину футеровки задать равную длине детали.

Затем с помощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Стадии расчета» следует задать две стадии, имитирующие режим ускоренного нагрева с перегревом поверхности.

В первой стадии установить контроль нагрева «Остановка по → Точке» и задать в «Координата R» радиус заготовки, а в «Координата Z»

–половину длины заготовки. В поле «Температура» установить значение 800 ºС. В настройках цепи выбрать режим мощности и ввести максимальную мощность источника питания. «Шаг по времени» можно принять равный 1 с.

Во второй стадии установить контроль нагрева «Остановка по → Точке» и задать в «Координата R» значение 0, а в «Координата Z» – поло-

вину длины заготовки. В поле «Температура» установить значение требуемой температуры нагрева. «Шаг по времени» можно принять равный 0,5 с. В настройках цепи выбрать режим мощности, и проведя серию расчетов, подобрать мощность так, чтобы в среднем сечении заготовки в конце

22

нагрева температуры поверхности и центра были равны требуемой температуре нагрева.

С помощью пункта меню «Команды → Постпроцессор → Отчет → Температуры» открыть отчет о температурных характеристиках во время нагрева и записать теплоперепад по радиусу и по длине, а также вычислить максимальный теплоперепад на основе максимальной и минимальной температуры.

5.3.2. Влияние заглубления детали в индуктор на равномерность температурного поля

Для того чтобы построить зависимость максимального теплоперепада от величины заглубления, следует по методике, описанной ранее, провести ряд расчетов с разным значением заглублений детали в индуктор. Для этого в пункте меню «Команды → Препроцессор → Индукторы» изменить коорди-

наты начала и конца индуктора (в случае заглубления детали координата начала индуктора задается отрицательным числом).

Кроме этого, необходимо построить еще две зависимости предельной равномерности температурного поля от величины заглубления для других условий теплообмена с торцов: отсутствие потерь и заглушки из футеровки.

Для этого в пункте меню «Команды → Препроцессор → Потери» для «Ле-

вой стороны» и «Правой стороны» в первом случае надо убрать галочку «Излучение», а во втором выбрать футеровку и задать ее толщину (10 мм) и материал шамот («chamotte»). После чего повторить расчеты по описанной ранее методике.

5.4.Содержание отчета

1.Название, цель работы.

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

ит. п.).

3.Привести зависимости предельной равномерности температурного поля от величины заглубления для трех условий теплообмена с торцов заготовки.

4.Выводы по работе.

23

Практическое занятие № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННОГО НАГРЕВА ТИТАНОВОЙ ЗАГОТОВКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ В ИНДУКТОРАХ

С ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Цель работы: исследование прецизионного нагрева длинномерной цилиндрической титановой заготовки до температуры 750 °С в установке с воз- вратно-поступательным движением загрузки, с предельной неравномерностью распределения температурного поля по сечению заготовки ±10 °С.

6.1. Основные сведения

Применение установок с возвратно-поступательным движением для нагрева длинномерных заготовок налагает дополнительные требования к индукционной системе. Эти требования обусловлены в первую очередь созданиемравномерныхтепловыхусловийдлявсехточекподлинезаготовкисучетом неодинаковой интенсивности электромагнитного поля. Поэтому исследуемая система условно разделяется на несколько повторяющихся участков с одинаковымраспределениемэлектромагнитногополя. Такимобразом, заодин цикл покачивания каждая точка заготовки должна проходить в одном направлениивнутринагревателярасстояние, равноесуммедлиныиндуктораидлины зоны между индукторами:

Lамп Lинд Lзазор,

где Lамп– амплитуда возвратно-поступательного движения заготовки, Lинд – длина индуктора, Lзазор – длина зазора между индукторами.

Длина индукторови расстояние между ними выбираются из условия нормальной организации перемещения заготовок через весь нагреватель с учетом возможного провисания конца горячей заготовки при нагреве. Кроме того, необходимо учесть, что между индукторами устанавливаются ролики.

Количество повторяющихся секций определяется длиной нагреваемых заготовок, при этом общая длина нагревателя не превышает сумму длины заготовки (максимальной из всей номенклатуры) и значения амплитуды воз- вратно-поступательного движения:

Lнагр Lзаг Lамп,

где Lнагр – общая длина нагревателя, Lзаг – длина максимальной заготовки.

24

6.2. Исходные данные

Номинальное напряжение источника питания – 800 В, максимальная мощность – 400 кВт, частота тока – 1 кГц, индукторы подключены последовательно.

Материал заготовки – титан («titanium»), температура нагрева – 750 ºС, допустимый теплоперепад – 20 ºС.

Воздушный зазор между заготовкой и футеровкой – минимум 10 мм, толщина футеровки – минимум10 мм, материал футеровки – шамот («chamotte»).

Скорость движения заготовки: для четных вариантов – 4 см/с, для нечетных вариантов – 6 см/с.

6.3. Моделирование в пакете UNIVERSAL 2D

6.3.1.Расчет первого этапа ускоренного нагрева

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

бирается режим работы нагревателя.

25

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

необходимозадать параметрынагреваемойзаготовкисогласноисходнымданным (табл. 6.1). В отличие от простого непрерывного режима, в случае с воз- вратно-поступательным режимом надо установить галочку «Разгрузка».

«Заготовок для нагрева»: по условию работы – 1 заготовка. «Элементов в заготовке»: рекомендуется, чтобы длина заготовки Lзаг, а

такжепо возможности и общаядлина нагревателя Lнагр были кратны выбира-

емому значению, но желательно, чтобы элементов в заготовке было не менее

100.

«Элементов в начальной заготовке»: параметр характеризует геометрическое положение загрузки при начале нагрева, т. е. длину, на которую заготовкаужевошлавзонунагрева. Таккакзаготовкавначаленагреваполностью

виндукторе, этотпараметрследуетпринятьравным«Элементоввзаготовке».

Вкачествеодногоизпараметроввыступает«Длиназоны», т. е. длинарассматриваемой (моделируемой) зоны нагрева. В поле «Длина зоны» следует задать общую длину нагревателя. Если она не кратна количеству элементов в заготовке, тогдалучшезадать значение, немногопревосходящееее. Рассчиты-

вая общую длину нагревателя Lнагр, надо вычислить количество индукторов

и учесть, что между индукторами должны размещаться ролики, которые обеспечивают перемещение заготовки.

Чтобы получить количество индукторов, надо длину детали Lзаг поделить на длину индуктора Lинд. Получившееся значение следует округлить до

наименьшего целого. Затем оценить длину зазора между индукторами. Для этого из длины детали вычесть длину всех индукторов и поделить на количество зазоров. Если полученное значение Lзазор намного меньше диаметра за-

готовки, токоличествоиндукторовуменьшитьнаединицуизанововычислить длину зазора между индукторами.

Так как общая длина нагревателя отличается от длины детали на величину возвратно-поступательного движения Lамп, для вычисления Lнагр надо

к длине детали прибавить длину индуктора и длину зазора. Окончательное количество индукторов будет на один больше, чем рассчитанное при вычислении длины зазора.

26

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Температура»

следует задать начальную температуру заготовки 20 ºС.

Спомощью пункта меню «Команды → Препроцессор → Индукторы»

необходимозадатьпараметрывсехиндукторов, изкоторыхсостоитустановка: их расположение, геометрические параметры, а также количество витков в каждом. Первоначально количество витков можно задать равным 15.

Согласно техническому заданию имеется один источник питания, поэтому имя цепи у всех индукторов должно быть одинаковое.

Затем необходимо задать параметры футеровки, выбрав пункт меню «Команды → Препроцессор → Футеровка». Для каждого индуктора футеровка должнабытьсвояидолжнасоответствоватьгеометрическимпараметрамустановки.

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

чета» следует задать скорость и время перемещения заготовки. Время задается с учетом того, чтобы деталь за стадию расчета совершила перемещение в одну сторону, равное Lамп.

Также нужно задать необходимые параметры работы источника питания: частоту тока и напряжение источника питания. Напряжение следует взять на 50 В меньше, чем номинальное, для учета потерь в подводящих шинах.

Следует создатьпервоначально 10 стадийрасчета. Это можно сделатькопированием. В каждой четной стадии установить галочку «Реверс» (движение заготовкивобратнуюсторону). Дляудобстваможновоспользоватьсякнопкой

«Копирование».

С помощью пункта меню «Команды → Расчет» выполнить ряд предварительных расчетов, во время которых подобрать количество витков, одинаковое для всех индукторов, таким образом, чтобы мощность источника была близка к максимальной, но не более.

После этого надо увеличить количество стадий так, чтобы нагреть поверхность заготовки в центральной зоне до температуры 700 ºС.

Сохраните файл данных с помощью пункта меню «Файл → Сохранить».

6.3.2. Расчет второго этапа ускоренного нагрева

Чтобы сократить время расчетов, имеет смысл моделировать вторую стадию ускоренного нагрева, основываясь на результатах первой стадии. Поэтому снова необходимо сохранить файл данных, но с новым именем при по-

мощи пункта меню «Файл → Сохранить как».

27

Затем необходимо задать начальную температуру, основываясь на результатахпредыдущегорасчета. Дляэтогоспомощьюпунктаменю«Команды

→ Препроцессор → Температура» установить значения «Неравномерная нач.

температура» и «Из проекта». Далее с помощью кнопки следует выбрать файла проекта, который был создан для моделирования первой стадии ускоренного нагрева.

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

чета» первоначально уменьшить напряжение в каждой цепи примерно в два раза. Для удобства воспользуйтесь кнопкой «Замена».

С помощью пункта меню «Команды → Расчет» выполнить ряд расчетов, во время которых необходимо подобрать напряжение так, чтобы температура поверхностинеснижалась, апостепенноросладотребуемогозначения750 ºС. Еслитеплоперепадпорадиусуокажетсябольшетребуемого, следуетпонизить напряжение. Снижение мощности замедлит нагрев детали, но улучшит равномерность распределения температуры по объему детали. Однако следует учесть, что мощность, выделяемая в детали, не должна стать ниже мощности потерь на конвекцию и излучение. Возможно, придется удалить или добавить определенное количество стадий расчета.

По завершению расчета предельно допустимую неравномерность по радиусу и по длине следует оценивать только в центральной зоне нагреваемой детали (так как на торцах будет большой перегрев).

6.4.Содержание отчета

1.Название, цель работы.

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

ит. п.).

3.Распределения температурного поля по длине в конце расчета «Ко-

манды → Постпроцессор → Графики → Вкладка 6».

4.Графики распределения температуры на поверхности и в центре де-

тали в конце расчета «Команды → Постпроцессор → Графики → Вкладка

3».

5.Графики изменения во время нагрева энергетических показателей системы (ток, мощность, КПД, производительность): «Команды → Постпроцес-

сор → Графики → Цепи».

28

6.Изменение температуры для среднего поперечного сечения детали во времянагрева«Команды→Постпроцессор→Графики→Вкладка10». Необ-

ходимо настроить для нужного сечения параметр «Точка».

7.Выводы по работе.

Практическое занятие № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПРОВОЛОКИ

Цель работы: изучить процесс нагрева стальной проволоки в индукторах непрерывного действия.

7.1. Основные сведения

Обычный индукционный нагрев тонкой проволоки в диапазоне средних частот неэффективен из-за чрезмерной величины кольцевого зазора между проволокой и индуктором, а также из-за большой глубины проникновения тока на этих частотах, соизмеримой с ее диаметром. Технически сложно изготовить индуктор, внутренний диаметр которого сопоставим с диаметром проволоки. Поэтому приемлемое значение КПД нагрева может достигаться только при нагреве ферромагнитных материалов ниже точки Кюри, если материал не испытывает магнитного насыщения в процессе индукционного нагрева. Это требование ограничивает применяемую напряженность магнитного поля, которая будет использоваться, и, соответственно, достигаемую удельную мощность на поверхности проволоки.

Один из способов повышения КПД – это одновременный нагрев в одном индукторе нескольких нитей проволоки. Такой подход позволяет не только поднять КПД, но также в некоторых случаях использовать источник питания с более низкой частотой.

7.2. Исходные данные

Нагреватель состоит из четырех индукторов, каждый из которых имеет индивидуальный источник питания. Расстояние между модулями – 200 мм.

Материал проволоки – углеродистая сталь («steel»), начальная температура – 20 ºС, температура нагрева – 700 ºС.

Толщина футеровки – минимум 10 мм, материал футеровки – шамот

(«chamotte»).

29

Нити проволоки расположены в одной плоскости в прямоугольном индукторе с высотой окна 40 мм. Ширина индуктора выбирается в зависимости от количества нитей нагреваемой проволоки. Для нагрева одиночной проволокиширинаокнаиндуктора– 40 мм. Вслучаенагревапучкадлякаждойнити проволоки к базовой ширине надо добавить 10 мм для четных вариантов и 15 мм для нечетных вариантов.

7.3.Моделирование в пакете UNIVERSAL 2D

7.3.1.Определение оптимальной скорости

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

брать режим работы нагревателя.

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

необходимо задать параметры нагреваемой проволоки (табл. 7.1). Для определения оптимальной скорости моделирование следует провести с одной нитью проволоки, поэтому режим «Пучок» устанавливать не надо.

30