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.
|
|
|
Таблица 4.1 |
|
Исходные данные для построения модели по вариантам |
||
|
|
|
|
Вариант |
|
Длина индуктора, мм |
Диаметр заготовки, мм |
|
|
|
|
1 |
|
400 |
60 |
2 |
|
450 |
65 |
3 |
|
500 |
70 |
4 |
|
550 |
75 |
5 |
|
600 |
80 |
6 |
|
650 |
85 |
7 |
|
700 |
90 |
8 |
|
850 |
65 |
9 |
|
950 |
95 |
10 |
|
400 |
70 |
11 |
|
500 |
80 |
12 |
|
600 |
90 |
13 |
|
700 |
60 |
14 |
|
400 |
80 |
15 |
|
500 |
90 |
16 |
|
600 |
60 |
17 |
|
700 |
70 |
18 |
|
400 |
90 |
19 |
|
500 |
60 |
20 |
|
600 |
70 |
21 |
|
700 |
80 |
22 |
|
800 |
70 |
23 |
|
950 |
75 |
24 |
|
1050 |
85 |
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