Введение к работе
Актуальность проблемы
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 (XT). 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 С; внутренний диаметр тигля 60-600 мм; частота 0,05-30 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников) и 0,5-10 МГц (плавка оксидных материалов); потребляемая мощность 60-2000 кВт и более; производительность 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 С, ёмкость тигля 60-2500 кг, частота 0,05-10 кГц, потребляемая мощность 100-1600 кВт.
Распространение индукционных печей с XT (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 расчёта индукционных печей с холодным тиглем (ИГГХТ) 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.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта индукционных печей с металлическим секционированным водоохлаждаемым тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.
В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
-
Анализ существующих конструкций и методов расчёта индукционных печей с металлическим тиглем (экраном).
-
Разработка трёхмерной математической модели индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.
-
Исследование параметров модели и выработка рекомендаций по работе с ней, проверка адекватности.
-
Исследование с помощью модели влияния геометрических и электрофизических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей.
-
Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.
Соответствие темы исследования паспорту специальности «Электротехнология» - 05.09.10
-
Развитие общей теории электротехнологических комплексов и систем, изучение системных свойств, связей и механизмов протекания процессов, их физическое, математическое и компьютерное моделирование.
-
Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.
Методы научных исследований
Для решения электромагнитной задачи в диссертационной работе использовался программный пакет ANSYS, основанный на методе конечных элементов численного моделирования. Разработка программы для формирования расчётного файла математической модели в ANSYS осуществлялась в среде Delphi. Для проведения поверочных расчётов был применён программный комплекс Mathcad. Адекватность модели проверялась с использованием экспериментальных данных.
Научная новизна
1. В программном пакете ANSYS разработана трёхмерная математическая модель электромагнитных процессов в индукционных печах с секционирован-
ным холодным тиглем или тепловым экраном, которая позволяет проводить исследования с количественной оценкой по влиянию параметров секций (число, материал и профиль) на электромагнитные потери.
-
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 частота 50-500 Гц, стенка 1-2 мм для частот от 50-2400 Гц; секции из нержавеющей стали при толщине стенки 1-4 мм для частот 0,05-10 кГц.
-
Разработана методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.
Практическая ценность результатов работы
-
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.
-
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.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается применением современных средств численного моделирования электромагнитных задач в пакете ANSYS, а также путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физической модели холодного тигля.
Реализация результатов работы
Разработанная методика будет использоваться в организации ООО "Энерготерм-Проект" (г. Москва) при проектировании индукционных печей с холодным тиглем для вакуумной плавки различных металлов (титан, никель др.) и
модернизированной открытой индукционной тигельной печи с тепловым экраном ёмкостью 160 кг по стали.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанная трёхмерная математическая модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.
-
Результаты исследований параметров модели (шагов разбиения на расчётные элементы, согласование между собой и границ областей) и рекомендации по работе с ней, проверка адекватности.
-
Результаты исследований с помощью модели влияния геометрических и электрических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей, рекомендации по подбору этих параметров.
-
Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на 8-ой. Международной научно-практической интернет-конференции " Энерго- и ресурсосбережение XXI век" (Орёл, 2010 г.); 14-ой Международной конференции по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Алушта, 2012 г.); Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2011-2013 гг.).
Работа обсуждалась на заседании кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ" (2013 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук.
Структура и объём диссертации
Диссертация изложена на 123-х страницах, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения на 25 страницах и списка использованной литературы из 82-х наименований. В работе представлены 14 таблиц и 33 рисунка.
