Вступление. Индукционный нагрев это процесс, который использует электромагнитное поле переменного тока, чтобы вызвать высокую температуру в заготовке

 

Индукционный нагрев это процесс, который использует электромагнитное поле переменного тока, чтобы вызвать высокую температуру в заготовке. Он был использован для нагрева электричеством деталей с начала 1930-х годов.

 

Промышленное применение технологии включает термическую обработку и плавления металла, выращивание монокристаллов, переработку полупроводниковых пластин, уплотнение и упаковку с высокой скоростью, и отверждение органических покрытий [1].

Если поле переменного тока находится в непосредственной близости от проводника, вихревые токи индуцируются в заготовке. Индуцированные вихревые токи выделяются в виде тепловой энергии, которая затем распределяется по всей заготовке. Потери на гистерезис также создают дополнительные источники тепловой энергии в магнитных материалах. Этот вид нагрева дополняет тот, что вызван вихревыми токами. Он обусловлен магнитным сопротивлением доменов в ферромагнитных материалах.

Индукционный нагрев представляет собой сложный процесс с участием как электромагнитных и тепловых явлений.

Электроэнергетика создавалась и развивалась при помощи электрических, магнитных и электромагнитных явлений, используемых для ее производства, передачи и трансформации в другие виды энергии.

Этот процесс описывается уравнением Максвелла для электромагнитных явлений. Численные методы в Электротермии начали использовать еще в начале 1960-х годов с МКР (метод конечных разностей) для определения температуры ферромагнитного цилиндра [3]. Положительные отзывы о численных методах в индукционном нагреве и продолжении плавления можно найти в Lavers [4]. В последнее время метод конечных элементов (МКЭ), представленный в этой статье широко используется во многих задачах, связанных с электронагревом, таких как индукционный нагрев. Численный расчет асинхронных процессов нагрева становится все более распространенным [5].

Многие исследования были проведены в отношении теоретической модели и численного моделирования индукционных нагревательных приборов. Enokizono и Tanabe [6] исследовали численный анализ магнитного поля при высокочастотном индукционном нагреве. Зависимость различных магнитных свойств от температуры была учтена. Необходимые характеристики были получены экспериментально. Sade-ghipour др.. [7] с использованием метода конечных элементов, исследовали создавшиеся мощность и плотность тока, и переходное распределение температуры во фланцевой трубке AISI1040 стали. Эрнст и др.. [8] представил новый и оригинальный электромагнитно-тепловой способ связи моделирования двумерных конечных элементов на основе Matlab, использованный для оптимизации процесса индукционного создания SiC кристалла. Арита и др.. [9] проанализировали результаты конечно-элементного анализа задачи высокочастотного индукционного нагрева с учетом температурной зависимости характеристик материала высокочастотных проблем индукционного нагрева с учетом температурная зависимость характеристик материала с использованием трехмерного конечно-элементного анализа для того, чтобы определить необходимую форму катушки индуктора. Cajner др.. [10] разработали программу моделирования для аксиально-симметричных деталей относительно измеренным значениям твердости поверхности и глубинной прочности. Кавагути и др.. [11] представили результаты анализа методом конечных элементов задач индукционного нагрева с учетом температурной зависимости характеристик материала. Недавно Цзян и др.. [12] предложил оптимальную модель для нагрева / охлаждения для достижения равномерного распределения температуры по радиусу цилиндра. Tibouche др.. [13] разработал программный продукт на базе метода конечных разностей пар с полу- аналитическим началом. Кранич др.. [14] исследовал характеристики процесса индукционного нагрева как численно так и экспериментально. Недавно, Бар - Глик [15 ] исследовал трехмерный анализ электромагнитных и температурных полей в поперечном сечении индуктора для тонких полос и сравнил результат с данными измерений.

 

Nomenclature	t	time, s
		T	temperature, K
A	magnetic vector potential, Wb m-1
A	outer area of steel workpiece, m2	Greek	symbols
B	magnetic flux density, T	Dt	time step size, s
cp	specific heat, J kg-1 K-1	£	emissivity
E	electric field intensity, V m-1	mm	relative magnetic permeability
f	frequency, Hz	r	density of workpiece, kg m-3
g	gravitational acceleration, m s-2		electrical conductivity, U-1 m-1
H	magnetic field intensity, A m-1	S	Stefan—Boltzmann constant, W m-2 K-4
Js	excitation current density, A m-2	u	angular frequency, rad s-1
j	complex number (\f-1)
k	thermal conductivity, W m-1 K-1	Subscripts
L	length of workpiece, mm		ambient
n	normal direction	eddy	eddy current
qed dy	heat power by eddy currents in the workpiece, W m-3	i	inner
qs	energy losses by radiation, W	o	outer
r, q, z	cylindrical coordinates, m, rad, m	s	surface

Большинство теоретических моделей с численными методами, сохданных раньше, применяются до сих пор, за исключением случаев применения их в системах стационарной индуктивности высокой частоты. Кроме того, эти исследования нельзя применить для получения хороших результатов, близких к экспериментальным, так как индукционный нагрев имеет свой недостаток - присущий ему неравномерный нагрев из-за поверхностного и концевого эффекта, а так же эффекта поперечной кромки. Эффекты с подвижными проводниками и катушками имеют большое влияние когда проводник движется относительно катушки и выходит из нее после нагрева. Это вызвано высоким градиентом магнитного поля в этой области, что может привести к большой погрешности в предварительных расчетах распределения температуры заготовок. Таким образом, в данной работе, способ с использованием коммерческого пакета, ANSYS [16], использован для анализа одномерных и двумерных задач индукционного нагрева.

Основная цель этой работы – описать связанную более точную математическую модель для системы индукционного нагрева, принимая во внимание динамический эффект движущихся деталей, для получения более точных результатов, чем те, что были получены в предыдущих работах по исследованию электромагнитных полей и температурного распределения в заготовках.

2. Математическая модель

 

 

Мы решаем задачи тепловую и вихревых токов, чтобы смоделировать систему индукционного нагрева, которая используется для производства бесшовных труб и обычно состоит из четырех частей:№ 1 через № 3 катушки и камера между ними, как показано на рис. 1. Будем считать, что части нагрева (№ 1 через № 3 катушки и часть разрыва, в том числе в области воздуха между, до и после катушек),кроме удерживающей камеры, имеют осевую симметрию. Для простоты мы опишем только модель, состоящую из заготовки, катушки, и воздуха в расчетной области, как показано на Рис. 2.
Мы считаем, что свойства материалов, используемых в данном расчете, т.е. относительную магнитную проницаемость, удельное сопротивление, теплопроводность, плотность и теплоемкость могут зависеть от температуры.
Модель этого анализа использует косвенный метод, в котором обе - электромагнитная и тепловая задачи решаются отдельно. В связи с различными постоянными времени в электромагнитной и тепловой задаче, задача вихревых токов решается в один период, а тепловая задача решается как нестационарная.