Численное исследование методов управления температурным полем в индукционных системах для нагрева вращением

Введение

Сегодня в промышленности применяют различные технологии горячей обработки цветных металлов давлением. Одним из методов горячей обработки давлением является прессование профилей. Мировой рынок экструзионных продуктов составляет около 6 млн тонн в год. Европейский рынок экструзии является основным рынком, особенно для изделий из алюминия, с объемом около 2,8 млн тонн в год. Около 480 прессов для экструзии алюминиевых заготовок установлено в Европе.

Нагрев перед прессованием способствует повышению пластичности металла, и, таким образом, облегчает процесс его обработки. Довольно хорошо поддаются обработке, в частности вытягиванию в проволоку и прокатке в тонкие листы, алюминий и медь. Ко всему прочему алюминий обладает рядом уникальных качеств и свойств, ценных в металлургии: достаточно прочный, легкий, обладает хорошей стойкостью к коррозии и многое другое.

Нагрев алюминиевых заготовок от комнатной температуры до конечных температур 400–500 °С. В основном для предварительного нагрева заготовки перед экструзией используются газовые печи и индукционные нагреватели. Широкое применение индукционного нагрева для различных видов термообработки требует простых методов проектирования специальной высокочастотной аппаратуры. К такой аппаратуре, прежде всего, относятся индукторы, служащие для концентрирования переменного электромагнитного поля в нагреваемых зонах. Для проектирования и выбора остальной высокочастотной аппаратуры, например трансформаторов и конденсаторов, необходимо знать основные параметры индуктора: ток, напряжение и коэффициент мощности. В конечном итоге выбор оборудования зависит от многих факторов.

Технологии нагрева металла характеризуются высокими требованиями к нагреву:

• незначительное отклонение температуры от заданного значения,
• равномерность температурного распределения в заготовке,
• малые инвестиционные затраты,
• малые эксплуатационные расходы (высокий КПД, малые энергозатраты, обслуживание и возможность ремонта, низкий процент брака при наладке),
• высокая производительность,
• быстрая готовность к работе,
• отсутствие ущерба, наносимого окружающей среде (низкая загрязненность производственной территории теплом, отработанными газами и шумами).

В настоящее время в установках для получения алюминиевого профиля широко используются индукционные нагреватели, которые предварительно нагревают алюминиевые заготовки перед прессованием. КПД обычного индукционного нагревателя не превышает 50–60 %, потому что 40 — 50 % всей мощности идет на нагрев медных витков и отводится водяным охлаждением. Потери мощности в катушке больше чем все остальные потери системы индукционного нагрева, поэтому уменьшение потерь в витках катушки это основной путь для увеличения суммарного КПД нагревателей алюминиевых заготовок.

Обычно нагрев металлических заготовок производится в индукционных нагревателях на частоте 50 Гц. Система индукционного нагрева должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить требуемое распределение температуры в заготовке.

Оптимальный температурный профиль внутри заготовки зависит от условий экструзионного процесса в целом. Температурное распределение вдоль длины заготовки должно быть однородным или градиентным, чтобы обеспечить высокое качество продукта и высокую скорость экструзионного процесса. Мощность индукционной установки составляет от 200 до 1000 кВт. Главными преимуществами использования частоты 50 Гц являются снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты и уменьшение времени нагрева изделий. Эти преимущества наиболее полно реализуются в установках большой мощности, в особенности при нагреве хорошо проводящих материалов, таких как сплавы алюминия.

Обзор литературных источников показал, что в настоящее время возможно существенно повысить энергетическую эффективность процесса нагрева алюминиевых болванок перед прессованием, используя технологию нагрева заготовки вращением в поле постоянных магнитов (рис. 1).

Для улучшения энергетической эффективности нагрева алюминиевых заготовок перед прессованием был предложен инновационный метод, который позволяет использовать сверхпроводники, способные генерировать высокоинтенсивные магнитные поля в больших объемах. Изменение магнитного потока, пронизывающего заготовку, вызвано вращением заготовки относительно поля возбуждения. Вращение в постоянном магнитном поле вызывает поток индуцированных токов, которые производят момент, препятствующий вращению. Практически вся энергия в заготовке преобразуется в тепловую, и, таким образом, механическая энергия асинхронного электродвигателя преобразуется в тепловую. Теоретически КПД индуктора должен приближаться к КПД электрического двигателя, который составляет 90% [1].

При термообработке изделия возникают температурные напряжения и деформации, величины которых могут оказаться за пределами упругости. Остаточные напряжения могут складываться с рабочими напряжениями и в сумме превышать значения предела прочности, что приводит к образованию трещин и разрушению изделий. Кроме того, растягивающие остаточные напряжения снижают износостойкость и стойкость к циклическим нагрузкам.

В этой связи актуальной является задача изучения процессов, протекающих в системах нагрева алюминиевых заготовок вращением в поле постоянных магнитов, средств пространственного управления температурным полем, применение современных коммерческих пакетов, позволяющих моделировать электромагнитные и тепловые процессы при нагреве заготовок, а также поиск направлений оптимизации конструкций нагревателей.

На данный момент в мире уже существует несколько установок нагрева алюминиевых болванок вращением в поле постоянных магнитов. Но в них не предусмотрена и не заложена возможность внедрения средств пространственного управления температурным полем. Поэтому представленная работа является актуальной.

Средства пространственного управления температурным полем в нагреваемой заготовке можно разделить на две группы: пассивные и активные. К активным средствам относится все, что связано с системами генерации электромагнитного поля. А к пассивным относятся дополнительно вносимые в поле «посторонние» предметы. Это могут быть различные магнитные и ферромагнитные изделия различной геометрической формы и геометрических размеров.

Оптимальный процесс нагрева нуждается в точном проектировании индуктора или постоянных магнитов. Математическое моделирование является удобным инструментом для оптимального проектирования нагревателей. В целом методика проектирования установки индукционного нагрева состоит из нескольких этапов, которые являются общими для всех инженерных задач. Математическое моделирование включает в себя преобразование инженерного описания проблемы в четкую математическую постановку, разработку модели, используя численный метод, например, метод конечных элементов, который обеспечивает приближенное решение.

Таким образом, электромагнитный и тепловой анализ индукционной системы для нагрева заготовки вращением в постоянном магнитном поле требует построения полной трехмерной численной модели, учитывающей скорость вращения и все нелинейные физические свойства материалов. Универсальный коммерческий пакет ANSYS дает хорошие возможности для проведения электромагнитного и теплового расчета, включающего вращение заготовки.

При исследовании влияния средств управления температурным полем в нагреваемой заготовке работа была разбита на два этапа. На первом этапе, при помощи средств численного моделирования, исследовалась возможность создания однородного магнитного поля, в котором вращается нагреваемая заготовка. А на втором этапе исследовалось влияние пассивных средств, вносимых в электромагнитное поле, на распределение температуры в нагреваемой алюминиевой болванке.

Для исследования влияния пассивных средств управления на распределение температуры в нагреваемой болванке было принято решение провести моделирование для случая, когда алюминиевая болванка вращается с постоянной угловой скоростью w в однородном магнитном поле (рис. 2). На практике такое распределение поля получить достаточно сложно либо экономически нецелесообразно, но это сделано для того, чтобы в исследованиях исключить влияние на распределение температуры в заготовке неравномерности поля. В таком случае возможно полно и всесторонне исследовать возможности пассивных средств управления температурным полем в нагреваемой заготовке.

Однородное магнитное поле можно создать несколькими способами. В работе использовались два взаимозаменяемых метода. В первом методе для создания поля использовались длинные плоские пластины с током — индуктор (Рис. 3.а), а во втором — постоянные магниты (Рис. 3.б). Как видно из представленных рисунков, в области нахождения нагреваемой алюминиевой болванки поле идеально однородное.

Если же начать вращать заготовку с некоторой постоянной угловой скоростью, то поле искажается, как показано на рисунках 4а для индуктора и 4б для магнитов.

При этом распределение удельной мощности в поперечном сечении нагреваемой детали при вращении ее в магнитном поле, создаваемом индуктором и постоянными магнитами, показано на рисунках 5 и 6 соответственно. Чтобы обеспечить однородное магнитное поле в области заготовки, была исследована зависимость выделяемой мощности в заготовке от ширины индуктора для различной геометрии индукционной системы. Результаты для двух различных расстояний между пластинами индуктора представлены на рисунке 7. Относительная мощность, выделяемая в заготовке, растет с шириной проводника, достигая насыщения. Эта мощность больше для меньшего зазора между проводниками.

Как уже упоминалось выше, задачей проектирования индукционного нагревателя является обеспечение требуемого распределения температуры в заготовке. Геометрия системы «индуктор-заготовка» существенно влияет на распределение температуры за счет искажения электромагнитного поля на концах заготовки. Температурное поле в заготовке также формируется путем выравнивания температуры за счет теплопроводности и тепловых потерь с поверхности заготовки.

Результаты исследований показали, что конфигурация индукционной системы не позволяет получить равномерное распределение температуры по длине заготовки. При рассмотрении индукционной системы электромагнитные краевые эффекты приводят к перегреву концов заготовки. Изменение размеров катушек является сложной инженерной задачей, поэтому необходимо использовать другие способы для получения требуемого распределения температуры в заготовке.

Для создания однородного магнитного поля в трехмерной постановке использовалась система, показанная на рисунке 8. Распределение удельной мощности в заготовке для трехмерной задачи показано на рисунке 9. Распределение имеет абсолютно другую природу в сравнении с классическим индукционным нагревом. Можно увидеть, что температурное поле вращательной симметрии будет окончательно сформировано только за счет вращения заготовки. В этом случае важность краевых эффектов в заготовке становится очень высокой.

Главным образом краевые эффекты были исследованы за счет мощности, выделяемой в поперечном сечении заготовки, как показано на рисунке 10. Используя описанный метод, были построены распределения удельной мощности вдоль длины заготовки при различной длине заготовки (150, 300, 600 и 1200 мм). График распределения удельной мощности для различной длины заготовки представлен на рисунке 11. В коротких заготовках видно сильно выраженный краевой эффект со значительным перегревом кромок заготовки. Увеличение длины заготовки стабилизирует интенсивность краевого эффекта с некоторым перегревом краев и небольшим снижением мощности в области перед краями заготовки. Исследование краевых эффектов в однородном магнитном поле дает полное понимание условий процесса, необходимых для будущего развития активных и пассивных средств управления температурным полем.

Заключение

Для электромагнитного и теплового анализа индукционных систем для нагрева заготовок вращением в постоянном магнитном поле была создана трехмерная численная модель, включающая скорость вращения и все нелинейные физические свойства материалов. Полученные результаты показывают, что температурное поле может быть сильно неоднородным по длине заготовки. При рассмотрении электромагнитных краевых эффектов индукционных систем результаты говорят о перегреве концов заготовки.

Проектирование индукторов с постоянным током — очень трудная задача для адаптации к требуемому нагреву. Поэтому с целью получения требуемого температурного профиля в заготовке на стадии проектирования индуктора должны быть рассмотрены независимые измерения. Результаты трехмерного моделирования показали, что однородный температурный профиль может быть получен за счет специального набора активных и пассивных средств.

Владислав Филатов,инженер по внедрению компании PT Electronics

Комментарий специалиста В настоящий момент времени производители при проектировании установок индукционного нагрева все чаще в инверторах применяют IGBT-модули, вместо MOSFET–транзисторов и тиристоров. По сравнению с тиристором, IGBT-модулем гораздо легче управлять (не возникает проблем с несвоевременным закрытием ключа), а применение IGBT-модулей вместо MOSFET-транзисторов позволяет создавать установки индукционного нагрева большей мощности, по сравнению с установками, где были использованы MOSFET-модули, при этом по частотным характеристикам в резонансе частота переключения IGBT-модуля (ШИМ) может достигать 100 кГц, что уже не так далеко от придельных частотных характеристик MOSFET. Сейчас перспективными решениями при проектировании систем индукционного нагрева считаются IGBT-модули от компании Semikron. Модулем, позволяющим достичь в резонансе 100 кГц в установках индукционного нагрева, является модуль SKM100GB125DN (см. рис.), выполненный в классическом корпусе Semitrans 2N. В нем реализована полумоставая транзисторная схема с обратными диодами, с максимальным током коллектора 80 А при температуре кристалла 85 °С, рассчитан он на напряжение до 1200 В.

Литература:

1. M. Runde, N. Magnusson: Induction Heating of Aluminium Billets using Superconducting Coil, PHYSIC C, 372–376, 2002, pp. 1339–134.
2. M. Fabbri, A. Morandi, F. Negrini: Temperature Distribution in Aluminium Billets Heated by Rotation in Staic Magnetic Field Produced by Superconducting Magnets, COMPEL, Vol. 24, n.1, 2005, pp. 281–290.
3. B. Nacke, M. Zlobina, A. Nikanorov, A. Ulferts: Numerical simulation of induction heating of aluminium billets by rotation in DC magnetic field. Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources, Padua, 2007, pp. 497–504.
4. R. Araneo, F. Dughiero, M. Fabbri and oth.: Electromagnetic and thermal analysis of the induction heating of aluminium billets rotation in DC magnetic field. Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources, Padua, 2007, pp. 487–496.