автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и проектирование энергоэффективных установок индукционного нагрева алюминиевых сплавов под деформацию

На правах рукописи

Егиазарян Александра Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОД ДЕФОРМАЦИЮ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 .Л 2013

Самара-2013 005541640

005541640

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: Зимин Лев Сергеевич, Заслуженный деятель науки

РФ, доктор технических наук, профессор. Официальные оппоненты: Рапопорт Эдгар Яковлевич, Заслуженный деятель

науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, «Самарский государственный технический университет», профессор. Сорокин Алексей Григорьевич, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный экономический университет», Сызранский филиал, доцент.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», г. Саратов.

Защита состоится 24 декабря. 2013г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 242-36-90, факс (846) 278-44-00; e-mail:aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан // 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04

доктор технических наук, доцент trfffrr}-^ A.A. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке энергоэффективных установок индукционного нагрела алюминиевых сплавов под деформацию.

Актуальность темы исследования.

Известно, что нагрев различными методами с давних пор составляет неотъемлемую часть производственного процесса во многих отраслях промышленности. В этой связи актуальное значение приобретает задача создания энергоэффективных индукционных нагревательных установок (ИНУ), применение которых дает возможность существенно сократить или исключить вовсе применение угля, нефти, газа в технологических процессах термообработки, обеспечить высокую скорость обработки металлов за счет концентрации выделяемой энергии в сравнительно малых объемах. В то же время анализ существующих ИНУ дает основание утверждать, что по-прежнему недостаточно уделяется внимания проблеме их энергоэффективности. В данном исследовании понятие энергоэффективности определяется единым системным подходом к проектированию, эксплуатации, управлению и электроснабжению ИНУ.

В настоящее время наблюдается тенденция роста парка индукционных установок для нагрева заготовок из различных металлов токами промышленной и повышенных частот в кузнечном, прокатном и прессовом производствах. На долю индукционного нагрева приходится около 70% всей мощности, идущей на нагрев перед операциями пластической деформации в машиностроении. В условиях дефицита электроэнергии, ее высокой стоимости при одновременном росте удельных мощностей нагрева большое значение приобретает проблема достижения экстремальных значений технико-экономических показателей технологических комплексов «индукционный нагрев - обработка металла давлением (ОМД)». Существенная специфика индукционного нагрева приводит к постановке и решению задач, значительно отличающихся от известных и требующих разработки конструкций, алгоритмов и систем, обеспечивающих заданное качество технологического процесса при минимальных энергозатратах на нагрев и деформацию. В настоящей работе акцент делается конкретно на алюминиевые сплавы, широко представленные в металлургическом и машиностроительном производствах и, одновременно, являющимися проблемными для индукционного способа нагрева. Исследования ИНУ связаны с технологией конкретного производства и целенаправленны на получение качественного полуфабриката на конечной стадии процесса, т.е. после обработки давлением. . Г

Степень разработанности темы исследования характеризуется использованием её результатов при выполнении, с непосредственным участием автора, фундаментальных НИР: «Разработка теории векторной оптимизации процессов, описываемых уравнениями Максвелла и Фурье для определенного класса задач математической физики» (2008 г.) № г.р. 01200802926; «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (2009 г.) № г.р. 01200951711; «Исследование закономерностей энергоэффективных процессов с внутренними источниками энергии» (2011 г.) № г.р. №01201152842; грант РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (2007-2009 г) № г.р. 01200955512; грант РФФИ «Разработка научных основ интегрированного проектирования технологических пространственно - распределенных систем с внутренними источниками энергии» (2012 - 2014); грант «Разработка научных основ многокритериальной векторной оптимизации энер-гомассопереноса в сложных физически неоднородных структурах» (13-08-97003-р Поволжье а, 2013 г.); Госзадание Минобрнауки «Разработка научных основ энергоэффективных технологий, основанных на принципах электромагнитной индукции», 2013 г. № г.р. 01201369727. Автор имеет Диплом победителя областного конкурса «Молодой ученый» Самарской области 2010 года за работу «Создание энергоэффективных технологий индукционного нагрева», а также в 2012 году выиграла Грант на выполнение НИР «Создание энергоэффективных технологий индукционного нагрева».

Объект исследования - индукционная нагревательная установка в технологическом комплексе «нагрев - обработка металла давлением».

Предмет исследования - методика проектирования системы индукционного нагрева, включающую индукционную установку и систему электроснабжения.

Цель и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи проектирования установок индукционного нагрева, обеспечивающих совместно с деформирующим оборудованием минимальные энергетические затраты по технологическому переделу алюминиевых сплавов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Анализ влияния температурных полей нагреваемых заготовок из алюминиевых сплавов на параметры процессов прессования и прокатки.

• Синтез температурных полей нагреваемых заготовок.

• Исследование температурных полей цилиндрических и прямоугольных заготовок из алюминиевых сплавов при индукционном нагреве.

• Исследование распределения напряженности магнитного поля в индукторах цилиндрической и прямоугольной формы.

• Совершенствование методик расчета индукторов цилиндрической и прямоугольной формы.

• Разработка технических решений по электромагнитной совместимости индукционных установок с системой электроснабжения.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы математического анализа, теории электромагнетизма и теплопроводности, методы системного анализа.

Научная новизна.

• Предложена методика проектирования энергоэффективных установок индукционного нагрева алюминиевых сплавов под обработку давлением, отличающаяся от известных разработкой проектных решений по комплексным критериям энергоэффективности системы «электроснабжение — индукционная установка».

• Разработана методика аналитического расчета индукторов, базирующаяся, в отличие от известных, на результатах физического моделирования исследуемых закономерностей.

• Предложены не имеющие известных аналогов научно обоснованные способы повышения производительности установок индукционного нагрева заготовок прямоугольной формы, с одновременным улучшением качества нагрева, путем размещения по ширине индуктора более одной заготовки.

Теоретическая значимость исследований

• Получены аналитические зависимости для распределения напряженности магнитного поля в индукторе.

• Изучены и сделано обоснованное заключение по аналитическим зависимостям определения коэффициента приведения параметров при расчете индукторов.

• Проведены исследования влияния схемы электроснабжения индукторов на качество нагрева.

• Раскрыты противоречия трехфазных схем электроснабжения индукторов прямоугольной формы.

Практическая значимость работы.

• Результаты научных разработок диссертации положены в основу НИР «Разработка научных основ энергоэффективных технологий, основанных на принципах электромагнитной индукции» (№ г.р. 01201369727, 2013 г), выполняемой при участии автора по Госзаданию Минобрнауки РФ.

• Рекомендации по результатам диссертации приняты к использованию в Российской электротехнологической компании (ООО «РЭЛТЕК») и на Самарском металлургическом заводе (Алкоа - СМЗ).

• В заключении ОАО АВТОВАЗ о практической значимости работы отмечается целесообразность использования рекомендаций, полученных в диссертации, при разработке энергосберегающих мероприятий на заводе.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности «Электротехнологические установки и системы», бакалавров и магистров по направле-ншо140400 «Электроэнергетика и электротехника», а также аспирантов по специальности 05.09.10 «Электротехнология».

Степень достоверности полученных результатов подтверждается совпадением полученных в работе теоретических закономерностей с результатами экспериментальных исследований и данными эксплуатации промышленных установок; использованием фундаментальных закономерностей Максвелла и Фурье; применением корректных, апробированных математических методов и оценок.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях. Конкретно: Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2008, 2009, 20010, 2011, 2012, 2013 г.г.); Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, МЭИ, 2008 г.); Международная научно-техническая конференция «ERQ 2008» (Мариуполь, Украина. - ПДТУ, 2008); Международная молодежная научная конференция, (Москва, МАТИ, 2008); Международный форум

Естественные науки. (Самара: СамГТУ, 2008); Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, ТГУ, 2009); Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) Иваново, 2009, 2011, 2013); Международная научно-техническая конференция «Успехи современной электротехнологии» (Саратов, СГТУ, 2009); Международная научно - техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, ТГУ, 2009); Международная конференция «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологи-ях» (Омск: ОмГТУ, 2010); Международная научно-практическая конференция «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, Северо-Кавказский государственный технический университет, 2010); Международная студенческая научно-практическая конференция «Интеллектуальный потенциал XXII века: ступени познания». (Новосибирск, НГТУ, 2010); Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (Одесса, 2010); Международная научная конференция «Научный потенциал XXI века» (Ставрополь, 2011); Международная конференция «Научные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффективности в экономике РФ» (Санкт-Петербург, 2011); Международная научно-практическая конференция ФЕДОРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ (Москва, МЭИ 2011); Международная научно-техническая конференция ЭНЕРГЕТИКА, ИНФОРМАТИКА, ИННОВАЦИИ (Смоленск, 2011); Международная молодежная научнаяконференция «Тинчуринские чтения» (Казань,

2011); Международная научно-технической конференция «Энергетика, информатика, инновации-2011» (Смоленск, МЭИ (ТУ), 2011); Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (Самара: СамГТУ, 2011); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Томск, 2011); Международная научно- техническая конференция. «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии». (Тольятти,

2012); Международная научно - практическая конференция (Юго-Зап. гос.универ. Курск, 2013), а также на ряде Всероссийских научных и научно-практических конференциях.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 6 работ в изданиях из списка ВАК, а также публикации в материалах Международных и Всероссийских конференций.

Содержание и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка использованных источников из 70 наименований и содержит 126 страниц машинописного текста и приложений. Положения, выносимые на защиту.

• Комплексная методика совместного проектирования энергоэффективной системы «электроснабжение - индукционная установка» для нагрева алюминиевых сплавов под обработку давлением.

• Методика аналитического расчета индукторов с использованием принципов физического моделирования.

• Научно обоснованные способы повышения производительности и качества нагрева заготовок прямоугольной формы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы исследования; формулируются цель и задачи; характеризуется новизна, теоретическая и практическая значимость работы; указываются степень достоверности и апробация результатов; приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается анализ требований технологий горячей деформации к температурному полю заготовок из алюминия и его сплавов. При повышении интенсивности металлургического производства встает проблема достижения экстремальных значений технико-экономических показателей технологических комплексов «ИНУ - ОМД». С точки зрения конструкции ИНУ в работе исследования ограничиваются двумя основными формами нагреваемых заготовок -прямоугольной и цилиндрической, а из наиболее распространенных видов горячей ОМД в металлургическом производстве рассматриваются прокатка (слябинг) и прессование. Рассматривается комплексный подход к проектированию ИНУ с учетом особенностей деформирующего оборудования и системы электроснабжения. Причём, ИНУ рассматривается в едином комплексе с оборудованием для ОМД с целью достижения максимальной энергоэффективности работы технологического комплекса «ИНУ-ОМД» в целом. Определяющая роль температурного фактора позволяет описать комплекс «ИНУ-ОМД» поведением

температурного поля обрабатываемого металла на соответствующих стадиях технологического процесса. В общем случае это уравнение Фурье-Кирхгофа, отражающее на первой стадии нагрев металла в индукторе, на второй - его охлаждение при транспортировании к деформирующему оборудованию, и на третьей - температурное поле в процессе ОМД. Из всех затрат при функционировании комплекса «ИНУ-ОМД» превалирующее значение имеют затраты на нагрев. Так, расход электроэнергии при индукционном нагреве алюминиевых сплавов в среднем равен - 280 кВт.ч/т. Расход энергии на деформацию для обжимных станов - до 80 кВт.ч/т, при прессовании до -50 кВт.ч/т. Технологический комплекс «ИНУ - деформация» представлен на рисунке 1, где А показывает зависимость времени деформации тд (прессования) от температуры, а Б характеризует изменение давления на валки прокатного стана от температуры металла.

K«.

\

\ \

.....1 ÜÜ

Рис. 1. Технологический комплекс «нагрев-деформация» В этой главе также указано, что значительные успехи в области теории и методов расчета электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве, достигнуты благодаря работам Бабата Г.И., В.П. Вологдина, A.B. Донского, А.Е. Слухоцкого, A.M. Вайнберга, М.Г. Когана, О.В. Тозони, B.C. Немкова, А.Б. Кувалдина, В.Б. Демидовича, С.А. Яицкого. В монографиях Э.Я. Рапопорта впервые дано систематизированное изложение альтернансного метода параметрической оптимизации процессов нестационарной теплопроводности при индукционном нагреве, общая методология оптимального проектирования систем индукционного нагрева дана в работах JI.C. Зимина.

Во второй главе рассмотрено проектирование индукционных нагревателей в технологиях горячего прессования. Сформулированы требования к форме температурного поля нагретой заготовки.

В общем случае базовая математическая модель систем индукционного нагрева описывается системой уравнений Максвелла и Фурье, дополняемых необходимой системой краевых условий. Для электромагнитного и температурного полей соответствуют выражения (1) и (2):

гоШ = о£; дт' ЯуВ = 0; (ИуЕ = 0; (1)

ф)г(1) — - <Иу{к{^гасИ) + с(1)уи)Уёгаск = -с1п{Ё • Н], (2)

дт

где: Н, Е - напряженности магнитного и электрического полей; с - удельная теплоемкость; у - удельный вес; X - коэффициент теплопроводности; / - температура; V- скорость движения заготовок.

В случае нагрева алюминиевых сплавов, размеры заготовок которых соответствуют основным видам металлургического производства, вполне приемлемой является частота 50 Гц. При этом хорошую сходимость дает метод расчета, где определяющей является напряженность магнитного поля индуктора.

Показано, что путем сочетания длины и мощности индуктора можно спроектировать установку, которая будет соответствовать требованиям, предъявляемым процессом прессования к распределению температуры по диаметру слитка (рис.2)

Рис.2. Зависимость перепада температуры по сечению от длины индуктора для заготовок различного диаметра с разной производительностью: о- диаметр индуктора 400 мм; •- то же, 300мм; х- то же, 200 мм; А- то же, 100 мм.

Для исследования температурных перепадов были получены аналитические выражения для напряженности магнитного поля, которые проверены экспериментально .

Н =

21

1-х

>2+(1-х)2 л/^+х2,

(3)

где: W-чиcлo витков; Ь, Я - длина и радиус заготовки.

! Г '

л!

Л1

!.......ГН

/7 У////(//// ///

Теоретическое (А) и экспериментальное (Б) поле катушки показано на рис.3.

Наиболее эффективным способом достижения наилучших энергетических показателей ИНУ является применение трехфазного тока промышленной частоты.

Рис.3. Магнитное поле однофазного индуктора

Показано, что потребление мощности тремя отдельными катушками трёхфазного индуктора неодинаково даже при одинаковом конструктивном их исполнении и одинаковой загрузке. Однако, установлено, что потребление мощности отдельными катушками не находятся в однозначной связи с мощностью, индуктированной в заготовке.

На рис. 4 показана асимметричная схема соединения трехфазного индуктора, когда начало и конец средней катушки переплюсованы, т.е. угол между напряжениями соседних катушек изменяется со 120° — ъ! на 60°.

130 1Э0 2СО ?40 280 320 ЭбО

Рис. 4. Напряженность поля в 3-х фазном индукторе.

В третьей главе рассматривается проектирование индукционных нагревателей в технологиях горячей прокатки. Величина обжатий при прокатке высокопрочных алюминиевых сплавов определяется двумя факторами: трещинооб-разованием и силовым воздействием слитка, вернее прочностью клети и максимальным моментом, развиваемым двигателем. Действие первого фактора сказывается в начальный период прокатки, тогда как действие второго - в течение всего процесса. Темп прокатки в значительной степени определяется термомеханическим коэффициентом К(, который характеризует сопротивлением деформации (рис. 1 ,Б).

Как видно из рисунка, сопротивление деформации уменьшается с повышением температуры сляба в начале прокатки практически линейно. Это может служить в качестве первого приближения при рассмотрении комплекса «ИНУ-прокатный стан». Нижняя граница температурного интервала ограничивается

параметрами стана

Если сопоставить расход энергии на нагрев с расходом энергии электродвигателем (разница на порядок), то станет ясно, что энергию можно и нужно экономить в первую очередь при нагреве. Снижение температуры выдачи заготовок обеспечивает более значительную экономию энергии, чем ее потери от повышения расхода электроэнергии при прокатке более холодного металла. Температурное поле сляба при индукционном нагреве имеет характерные особенности:

• Неравномерность распределения источников теплоты по ширине сляба. При нагреве крупногабаритных слябов даже на частоте 50 Гц наблюдается перегрев зоны боковых граней.

• Наличие нескольких, сильно отличающихся по своему значению постоянных времени, определяющих скорость выравнивания температуры по толщине, ширине и длине сляба.

• Наличие особых точек - вершин двухгранных и особенно трехгранных углов.

Перечисленные особенности приводят к необходимости разработки трехмерной математической модели индукционного нагрева слябов.

Разработанная модель должна использоваться для проектирования энергоэффективных ИНУ в технологических комплексах «ИНУ-ОМД».

1 - сляб; 2 - футеровка; 3 -индуктор с изоляцией.

В данном случае спроектированная ИНУ должна обеспечить заданную точность достижения требуемого температурного распределения при минимально возможном расходе электроэнергии технологическим комплексом в целом.

Процесс симметричного нагрева прямоугольной призмы конечных размеров описывается трехмерным неоднородным нелинейным уравнением нестационарной теплопроводности

вида:

St ' \5Д'2 8Y1 dZ* ) дТ^дХ2 5YZ SZL) ^V Р ^

здесь X, Y, Z - пространственные координаты; T=T(X,Y,Z,t) - температурное поле сляба; Xm, Y„, Zm - размеры сляба; а(Т), С(Т), р(Т), Л.(Т), 5 - соответственно температуропроводность, теплоемкость, удельное электрическое сопротивление, теплопроводность и плотность нагреваемого материала.

Математическая модель (4) реализована на ЭВМ в виде программы, написанной на алгоритмическом языке Pascal. Решение уравнения (4) предполагает использование численных методов. В то же время хорошую наглядность происходящих физических процессов можно получить, лишь применяя аналитические методы. Поскольку в электродинамике нет уравнений, из которых можно непосредственно найти плотность потока энергии в заданной систем тел, для её определения предварительно находятся значения напряженностей электромагнитного поля.

дгН(х у) + д2Н(Х ^

дх2 дуг к '

Решая (5), и учитывая, что

Р{х,у, 4,Р) = -у\Е,Е1+ЕуЕу

Ех =

1 ан(х,у) У dy

- 1 дН(х,у) у у дх

получаем мощность источников тепла

(5)

(6)

где: £ = %, Р = %, у - удельная электропроводность; у/ - функция, зависящая

от размеров поперечного сечения сляба и глубины проникновения.

С помощью выражения (7) исследован характер распределения внутренних источников в поперечном сечении заготовок прямоугольной формы. Результаты исследований показаны па рис. 6.

Рис. 6 Тепловыделение Р(х,у)/Р(1,0): а) £,=7,5; р=1; б) £,=0,5; Р=1.

Распределение источников на рис. 6 характерно для индукционного нагрева немагнитных слябов толщиной 0,30,5 м на промышленной частоте: рис.6,а -алюминиевые сплавы; рис. 6,6 -титановые сплавы. Эти результаты могут служить предпосылкой возможной аппроксимации внутреннего тепловыделения поверхностным для алюминиевых слябов. Это явление, определяет поперечный краевой эффект: появление градиентов температуры по периметру поперечного сечения. Нагрев алюминиевого сляба в промышленном однофазном индукторе приведены на рис. 7.

Рис. 7. Сляб в однофазном индукторе.

Как видно, эксперимент (сплошная линия) хорошо совпадает с аналитическим расчетом (штрих-пунктир). Влияние краевого поперечного эффекга в этом случае компенсируется двухинтервальным (нагрев - охлаждение) режимом работы индукционной установки (время нагрева-47 мин).

Одним из способов повышения равномерности нагрева по периметру прямоугольных заготовок заключается в нагреве двух и более заготовок в одном индукторе.

На рис.8 представлен сравнительный нагрев одного сляба (Д16 280x1400x1070 мм) и двух слябов (Д16 280x830x1070 мм) в индукторе с внутренними размерами (по медной трубке) 420x1900x1200 мм. Несмотря на то, что в случае нагрева двух слябов общая ширина (1660 мм) и скорость нагрева выше, перепад температуры по периметру меньше.

Рис. 8. Нагрев двух слябов.

1. Ж: У

Г , К, \

-Л 4 1

и У о г а о 0 1 ■■ Т. яиц 0 <й

Равномерность нагрева по длине сляба в случае однофазных индукторов достигается выбором оптимальной величины заглубления сляба в индукторе. Но, поскольку длины слябов варьируют в широких пределах, то равномерности нагрева по длине можно добиться с помощью темплетов из алюминиевых сплавов того же поперечного сечения, а длина - оптимальная по заглублению. Для улучшения равномерности поля по длине многофазного индуктора существует ряд искусственных схем, по которым катушки индуктора подключаются к сети.

Несимметричная схема по аналогии с цилиндрическими индукторами позволяет улучшить равномерность магнитного поля, но только в холостом индукторе. В загруженном прямоугольном индукторе не удается аналогичным способом получить напряженность хотя бы близкую к равномерной (рис.9).

В настоящее время имеется несколько методик расчета прямоугольных индукторов, использующих в основном представление системы «индуктор - заготовка» в виде воздушного трансформатора.

Для холостого индуктора расчет по указанным методикам дает довольно точные результаты то расчет загруженного индуктора может привести к значительным ошибкам.

Рис.9. Напряженность магнитного поля: схемы __симметричная; __несимметричная.

Приведенные доводы позволяют заключить, что аналитический расчет может быть использован лишь в качестве прикидочного. Для точного расчета мощных ИНУ промышленной частоты для нагрева слябов весом 3-4 т., когда затраты на изготовление весьма велики, необходим более надежный метод расчета. Таким методом может быть физическое моделирование с использованием геометрического подобия

(СЯо)2- М, 8)

где €м, £0 /м. /о - размеры и частота тока модели и натурной установки.

С помощью физического моделирования экспериментально был определен к.п.д. ИНУ, который можно представить как: ц = Я/Д#, где: П3,Пц - соответственно поперечные периметры заготовки и индуктора. Последнее выражение было проверено при опытно промышленной эксплуатации натурных ИНУ, результаты которых приведены в таблице (индуктор 0,42x1,9x1,15 м).

№ Алюминиевый сляб (мм) Вес т/час № Алюминиевый сляб (мм) Вес т/час

1 280x1070x815 598 0,25 6 280x1400x1070 1064 0,57

2 280x900x1070 660 0323 7 (225х830х950)х2 866 0,585

3 280x1070x1150 844 0,38 8 (225х830х1070)х2 1000 0,635

4 280x1070x1100 807 0,405 9 (280x710х1070)х2 1042 0.69

5 (225х830х650)х2 592 0,48 10 280x730x1070+ 280x900x1070 1200 0,805

В 4 главе исследуется электромагнитная совместимость систем индукционного нагрева с системой электроснабжения. Под энергоэффективным проектированием СЭС комплекса ИНУ понимается построение наиболее экономичного её варианта при соблюдении технических условий, накладываемых как элементами СЭС, так и потребителями - ИНУ. Рассмотрена задача структурной оптимизации СЭС ИНУ, при которой находится количество подстанций, координаты их расположения, параметры подстанций, сети и конденсаторных установок, соответствующие минимуму приведенных затрат на СЭС, при учёте технических ограничений. При отсутствии ограничений со стороны подстанций на подключение ИНУ исходная задача распадается на решение подзадач вида:

подстанцией, установленной нау'-м месте.

Для решения поставленной технико-экономической задачи предлагается использовать стратегию релаксации, что позволяет свести ее к итеративной последовательности решения задач целочисленного линейного программирования. Следует отметить, что эффект поиска энергоэффективпой структуры СЭС по сравнению с методами традиционного проектирования, повышается с увеличением размерности, расширением номенклатуры подстанций, разбросанностью месторасположения ИНУ. Показано, что минимальным затратам на передачу электроэнергии от подстанций к потребителям соответствует кратчайшая распределительная сеть. Таким образом, в общем случае алгоритм проектирования сводится к целенаправленному варьированию аргументов ху, при котором строится кратчайшая сеть и выбираются наивыгоднейшие типоисполнения подстанций для каждого у'-го места их установки.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена комплексная методика совместного проектирования энергоэффективной системы «электроснабжение - индукционная установка».

2. Получены математические зависимости для расчета напряженности магнитного поля в индукторах цилиндрической и прямоугольной формы.

3. Разработан экспериментально - аналитический метод расчета индукторов на основе физического моделирования

т

наличие связи г-го потребителя с

Заключение

4. Экспериментально обоснован способ повышения производительности и качества нагрева заготовок прямоугольной формы.

5. Установлены закономерности нагрева алюминиевых слябов по ширине и длине в однофазном и трехфазном индукторах.

6. Разработана математическая модель структурной оптимизации систем электроснабжения индукционных нагревательных установок.

Перспективным развитием данной работы является создание методики совместного проектирования нагревающего и деформирующего оборудования.

Список работ, опубликованных по теме диссертации. Публикации изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Электромагнитная совместимость систем

электроснабжения с индукционными установками. /Егиазарян А.С,. Зимин J1.C. Федотов М.Е.//Известия вузов «Электромеханика», Спец. Выпуск. -2007. - С.75. - ISSN 0136-3360.

2. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Аналитические исследования при индук-

ционном нагреве./Егиазарян А.С,. Зимин Л.С. //Вестник СамГТУ. Технические науки. - 2009. - №1 (23). С. 152-159. -ISSN 1991 - 8542.

3. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Оптимизация электроснабжения индукци-

онных установок. ./Егиазарян А.С,. Зимин Л.С. //Известия вузов «Электромеханика», Спец. Выпуск. - 2009. - С.34. - ISSN 0136-3360.

4. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Поперечный краевой эффект при индук-

ционном нагреве. ./Егиазарян А.С,. Зимин Л.С. // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2010г., Вып. № 7 (28) с. 231-233. 2010.

5. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Анализ режимов электроснабжения ин-

дукционных установок. ./Егиазарян А.С,. Зимин Л.С.// Изв. ВУЗов. «Электромеханика», №3,2011г. с. 74-76.

6. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Повышение эффективности индукционно-

го нагрева металла под деформацию../Егиазарян А.С,. Зимин Л.С. //Индукционный нагрев. Научно-технический журнал. «КОМЛИЗ-ПОЛИГРАФИЯ», Санкт-Петербург, № 22,2012г., с.41-43. Основные публикации в других изданиях и материалах конференций:

7. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Экология и электронагрев ./Егиазарян

А.С,. Зимин Л.С.// Труды 12-й Межд. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» - «МКЭЭЭ-2008».

29 сентября - 4 октября 2008 г. - Крым, Алушта - М.: МЭИ, 2008. - С. 332333.

8. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Вопросы электромагнитной совместимо-

сти при индукционном нагреве на промышленной частоте. ./Егиазарян А.С,. Зимин Л. С .// Труды VI Международной научно-технической конференции «ERQ 2008». Мариуполь, Украина. - ПДТУ, 2008. С. 123-125.

9. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Индукционный нагрев алюминиевых сплавов перед обработкой давлением. ./Егиазарян A.C., Зимин J1.C.//

XXXIV Гагаринские чтения. Науч. Труды Межд. молодеж. науч. конф. Москва, 1-5 апреля 2008 г. - М.: МАТИ, 2008. - С. 91-93. - ISBN 978-593271-421-8.

10. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Моделирование индукционного нагрева прямоугольных тел. /Егиазарян A.C., Зимин JI.C.// Актуальные проблемы современной науки: Труды 4-го Межд. форума Естественные науки. Части 1-3: . Математическое моделирование. Механика. Самара: СамГТУ, 2008. - С. 161-164. - ISBN 978-5-7964-1171-1.

11. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Подход к оптимизации электротермического производства. ./Егиазарян A.C., Зимин JI.C.// Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии. Международная научно-техническая конференция. Сборник трудов. Тольятти, ТГУ, 2009. Ч. 2, с. 3033.- ISBN 978-5-8259-0464-1.

12. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Экономические аспекты при индукционном нагреве. ./Егиазарян A.C., Зимин Л.С., Карушин Р.В.//Успехи современной электротехнологии. Труды Международной научно-технической конференции. Саратов, СГТУ, 2009. с. 197-199. - ISBN 978-5-7433-2113-1.

13. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Системный подход к проектированию индукторов /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//Материалы первой Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика». Ставрополь, Северо-Кавказский гос. технический университет, 2010, с. 206-208.

14. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Особенности индукционного нагрева слябов /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании». Том 6. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2010, с.29-30.

15. Егиазарян A.C. (Щелочкова А.М.) Индукционный нагрев на промышленной частоте. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//«Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения). Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. Иваново, 2011, том 1, с.3-5

16. Егиазарян A.C. (Щелочкова А.М.) Разработка САПР индукционных нагревателей. /Егиазарян A.C., Зимин JI.CЛ «Научный потенциал XXI века». МатериалыУ Междунар. научной конференции. Ставрополь, 2011, с. 152155.

17. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Обеспечение энергоэффективности при индукционном нагреве. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// Научные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффективности в экономике РФ. Сб. научных трудов 1-й Международной конференции. Санкт-Петербург, 2011, с. 94-96.

18. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Математическое моделирование технологий индукционного нагрева. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// ЭНЕРГЕТИКА, ИНФОРМАТИКА, ИННОВАЦИИ -2011. Сб. трудов Международной научно-технической конф. Смоленск, Т.2,2011, с. 56-59.

19. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Математическое моделирование технологий индукционного нагрева. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// Сборник трудов Межд. научно-техн. конференции «Энергетика, информатика, иннова-ции-2011» . Том 2, Смоленск: РИО филиала ГОУВПО МЭИ (ТУ), 2011. Стр. 56-59.

20. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Моделирование системы электроснабжения технологий индукционного нагрева. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//

Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды Межд. научно-технической конференции: сборник статей. В 3 т. Самара: СамГТУ, 2011. Т.1.204-209 с.

21. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.). Проблемы энергосбережения в электротехнологиях. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С., Пыхтеев В.В.// ФЕДОРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ 2011. Межд. научно-практическая конф. -М.: МЭИ 2011, с. 91-93.

22. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Энергосберегающие технологии индукционного нагрева. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//.Материалы докладов VI Межд. молод, науч. конф. «Тинчуринские чтения» Казань, 2011, том. 2, с. 124-125

23. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Электроснабжение индукционных установок промышленной частоты. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//Труды Межд. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», Т.1. Томск, 2011. С. 198-201.

24. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Индукционный нагрев алюминиевых сплавов под деформацию. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// IV Межд. науч. тех. конференция. «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии». Сб. трудов. Тольятти, 24-25 апр. 2012, с.234-239

25. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.). Индукционный нагрев при технологиях деформации металла. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// «Современные инновации в науке и технике». Материалы 3-й Межд. науч-прак.конференции. Юго-Зап. гос.универ. Курск, 2013, с.68-71.

26. Егиазарян A.C. Электроснабжение электротермического производства Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// «Состояние и перспективы развития электротехнологии». XVII Бенардосовские чтения, Матер, науч-тех конф. Иваново, 2013,с.18-21.

27. Егиазарян A.C. Индукционный нагрев при прессовании. РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. XIX Межд. науч. техн. конф. МЭИ, 2013. с. 298.

28. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Компьютерные технологии проектирования индукционных установок. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// Компьютерные технологи в науке, практике и образовании. Труды десятой Всероссийской научно-практической конференции. Самара, СамГТУ, 2011. С. 249-252.

29. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Оптимальное проектирование технологий индукционного нагрева. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.// Научная сессия ТУ-СУР-2011. Материалы Всероссийской конференции. Томск, 201 I.e. 83-85

30. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Эффективное проектирование индукционных нагревателей. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ. Всерос. конф. молод, ученых. Новосибирск, 2011, ч. 2, с. 7173

31. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Автоматизация проектирования систем индукционного нагрева. /Егиазарян A.C., Зимин Л.С.//Сборник трудов VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление. Южный федеральный университет, г. Таганрог, 2010, с. 193-197.

32. Егиазарян A.C. (Щелочкова A.M.) Аналитические методы расчета индукторов. /Егиазарян A.C., Зимин JI.C.// «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 18 Межд. науч. тех. конф.,'Г2, МЭИ, 1-3 марта, 2012, с. 388

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, автору принадлежат: в работе [1] - структурная оптимизация СЭС; в работе [2] - анализ трехфазных индукторов; в работе [4] - анализ внутренних источников тепла; в работах [3,5] - оптимизация системы «СЭС -ИНУ»; в работе [6] - учет условий прессования и прокатки при проектировании индукторов.

Разрешено к печати диссертационным советом Д212.217.04 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет Протокол № 34 от 12.11.2013 г. Заказ № 1033. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1 Отпечатано на ризографе. Тираж 100 экз. ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

.. На правах рукописи

04201454804 ,

^-г. -

Егиазарян Александра Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОД ДЕФОРМАЦИЮ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Л.С. Зимин

Самара 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. 4

1. Обоснование проектных решений 9

1.1 Комплексный подход к проектированию индукционных

установок. 9 1.2. Анализ требований технологий горячей деформации к температурному полю заготовок из алюминия и его сплавов. 13 1.3 Обоснование способа индукционного нагрева 18

2. Проектирование индукционных нагревателей в технологиях горячего прессования. 24

2.1. Параметры прессования 24

2.2. Электротепловая задача 32

2.3. Методики проектирования индукторов в технологиях

прессования. 50

2.3.1. Общие положения 50

2.3.2. Параметрический синтез индукторов для нагрева цилиндрических заготовок 53

2.3.3. Исследование картины распределения напряжённости магнитного поля по длине индуктора 59

2.3.4. Магнитное поле катушки индуктора 60

2.3.5. Трехфазный индуктор 61

2.3.6. Магнитное поле трехфазного индуктора 63

2.3.7. Эффективность передачи электромагнитной мощности в

заготовку. 69

3. Проектирование индукционных нагревателей в технологиях

горячей прокатки. 76

3.1 Параметры прокатки. 76

3.2. Электротепловая задача. 83

3.3. Электромагнитная задача 86

3.4. Напряженность электромагнитного поля прямоугольных индукторов. 92

3.5. Проектирование прямоугольных индукторов. 104 4. Электромагнитная совместимость систем индукционного

нагрева с системой электроснабжения 111

Список литературы 122

Приложения 127

Введение

Актуальность темы исследования.

Известно, что нагрев различными методами с давних пор составляет неотъемлемую часть производственного процесса во многих отраслях промышленности. В этой связи актуальное значение приобретает задача создания энергоэффективных индукционных нагревательных установок (ИНУ), применение которых дает возможность существенно сократить или исключить вовсе применение угля, нефти, газа в технологических процессах термообработки, обеспечить высокую скорость обработки металлов за счет концентрации выделяемой энергии в сравнительно малых объемах. В то же время анализ существующих ИНУ дает основание утверждать, что по-прежнему недостаточно уделяется внимания проблеме их энергоэффективности. В данном исследовании понятие энергоэффективности определяется единым системным подходом к проектированию, эксплуатации, управлению и электроснабжению ИНУ.

В настоящее время наблюдается тенденция роста парка индукционных установок для нагрева заготовок из различных металлов токами промышленной и повышенных частот в кузнечном, прокатном и прессовом производствах. На долю индукционного нагрева приходится около 70% всей мощности, идущей на нагрев перед операциями пластической деформации в машиностроении. В условиях дефицита электроэнергии, ее высокой стоимости при одновременном росте удельных мощностей нагрева большое значение приобретает проблема достижения экстремальных значений технико-экономических показателей технологических комплексов «индукционный нагрев - обработка металла давлением (ОМД)». Существенная специфика индукционного нагрева приводит к постановке и решению задач, значительно отличающихся от известных и требующих разработки конструкций, алгоритмов и систем, обеспечивающих заданное качество технологического процесса при минимальных энергозатратах на нагрев и деформацию. В настоящей работе акцент делается конкретно на алюминиевые сплавы, широко представленные в металлургическом и машиностроительном производствах

и, одновременно, являющимися проблемными для индукционного способа нагрева. Исследования ИНУ связаны с технологией конкретного производства и целенаправленны на получение качественного полуфабриката на конечной стадии процесса, т.е. после обработки давлением.

Степень разработанности темы исследования характеризуется использованием её результатов при выполнении, с непосредственным участием автора, фундаментальных НИР: «Разработка теории векторной оптимизации процессов, описываемых уравнениями Максвелла и Фурье для определенного класса задач математической физики» (2008 г.) № г.р. 01200802926; «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (2009 г.) № г.р. 01200951711; «Исследование закономерностей энергоэффективных процессов с внутренними источниками энергии» (2011 г.) № г.р. №01201152842; грант РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (2007-2009 г) № г.р. 01200955512; грант РФФИ «Разработка научных основ интегрированного проектирования технологических пространственно - распределенных систем с внутренними источниками энергии» (2012 - 2014); грант «Разработка научных основ многокритериальной векторной оптимизации энергомассопереноса в сложных физически неоднородных структурах» (13-08-97003-р_Поволжье а, 2013 г.); Госзадание Минобрнауки «Разработка научных основ энергоэффективных технологий, основанных на принципах электромагнитной индукции», 2013 г. № г.р. 01201369727. Автор имеет Диплом победителя областного конкурса «Молодой ученый» Самарской области 2010 года за работу «Создание энергоэффективных технологий индукционного нагрева», а также в 2012 году выиграла Грант на выполнение НИР «Создание энергоэффективных технологий индукционного нагрева».

Объект исследования - индукционная нагревательная установка в технологическом комплексе «нагрев - обработка металла давлением».

Предмет исследования - методика проектирования системы индукционного нагрева, включающую индукционную установку и систему электроснабжения.

Цель и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи проектирования установок индукционного нагрева, обеспечивающих совместно с деформирующим оборудованием минимальные энергетические затраты по технологическому переделу алюминиевых сплавов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Анализ влияния температурных полей нагреваемых заготовок из алюминиевых сплавов на параметры процессов прессования и прокатки.

• Синтез температурных полей нагреваемых заготовок.

• Исследование температурных полей цилиндрических и прямоугольных заготовок из алюминиевых сплавов при индукционном нагреве.

• Исследование распределения напряженности магнитного поля в индукторах цилиндрической и прямоугольной формы.

• Совершенствование методик расчета индукторов цилиндрической и прямоугольной формы.

• Разработка технических решений по электромагнитной совместимости индукционных установок с системой электроснабжения.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы математического анализа, теории электромагнетизма и теплопроводности, методы системного анализа.

Научная новизна.

• Предложена методика проектирования энергоэффективных установок индукционного нагрева алюминиевых сплавов под обработку давлением, отличающаяся от известных разработкой проектных решений по комплексным критериям энергоэффективности системы «электроснабжение - индукционная установка».

Разработана методика аналитического расчета индукторов, базирующаяся, в отличие от известных, на результатах физического моделирования исследуемых закономерностей.

Предложены не имеющие известных аналогов научно обоснованные способы повышения производительности установок индукционного нагрева заготовок прямоугольной формы, с одновременным улучшением качества нагрева, путем размещения по ширине индуктора более одной заготовки.

Теоретическая значимость исследований Получены аналитические зависимости для распределения напряженности магнитного поля в индукторе.

Изучены и сделано обоснованное заключение по аналитическим зависимостям определения коэффициента приведения параметров при расчете индукторов.

Проведены исследования влияния схемы электроснабжения индукторов на качество нагрева.

Раскрыты противоречия трехфазных схем электроснабжения индукторов прямоугольной формы.

Практическая значимость работы. Результаты научных разработок диссертации положены в основу НИР «Разработка научных основ энергоэффективных технологий, основанных на принципах электромагнитной индукции» (№ г.р. 01201369727, 2013 г), выполняемой при участии автора по Госзаданию Минобрнауки РФ.

Рекомендации по результатам диссертации приняты к использованию в Российской электротехнологическогй компании (ООО «РЭЛТЕК») и на Самарском металлургическом заводе (Алкоа - СМЗ). В заключении ОАО АВТОВАЗ о практической значимости работы отмечается целесообразность использования рекомендаций, полученных

в диссертации, при разработке энергосберегающих мероприятий на заводе.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности «Электротехнологические установки и системы», бакалавров и магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника», а также аспирантов по специальности 05.09.10 «Электротехнология».

Степень достоверности полученных результатов подтверждается совпадением полученных в работе теоретических закономерностей с результатами экспериментальных исследований и данными эксплуатации промышленных установок; использованием фундаментальных закономерностей Максвелла и Фурье; применением корректных, апробированных математических методов и оценок.

Положения, выносимые на защиту.

• Комплексная методика совместного проектирования энергоэффективной системы «электроснабжение - индукционная установка» для нагрева алюминиевых сплавов под обработку давлением.

• Методика аналитического расчета индукторов с использованием принципов физического моделирования.

• Научно обоснованные способы повышения производительности и качества нагрева заготовок прямоугольной формы.

1.Обоснование проектных решений 1.1. Комплексный подход к проектированию систем индукционного нагрева.

Индукционные установки, предназначенные для нагрева металла до температуры пластической деформации, служат начальным, вспомогательным звеном в комплексе «нагрев-деформация». Нагретые заготовки не являются товарной продукцией, но качество нагрева, а также производительность и энергетические параметры индукторов, оказывают значительное влияние на выходные характеристики полуфабрикатов и себестоимость процесса деформации. Поэтому в настоящей работе рассматривается комплексный подход к проектированию и функционированию системы индукционного нагрева, включающей индукционную нагревательную установку (ИНУ) и систему электроснабжения. Причём, ИНУ рассматривается в едином комплексе с оборудованием для обработки металла давлением (ОМД) с целью достижения максимальной энергоэффективности работы технологического комплекса «индукционная нагревательная установка-обработка металла давлением (ИНУ-ОМД)» в целом.

Подход к формулированию проектной задачи оказывает значительное влияние на трудоемкость ее решения. Именно этим во многих случаях объясняется тот факт, что проектные решения, получаемые в результате сложных исследований с использованием ЭВМ, очень часто обладают лишь незначительными преимуществами или не имеют их вообще по сравнению с решениями, полученными инженером не искушенными в математике,, но хорошо знающими технологию проектирования и производства.

Как бы следуя этому высказыванию, большинство инженеров удовлетворяется получением решения, достаточно близкого оптимальному, предпочитая не тратить время на поиски путей к абсолютному и вряд ли достижимому совершенству. При имеющейся недостоверности физических или экономических данных такая позиция, конечно, обоснована: трудность заключается в умении своевременно увидеть конец работы. Надо уметь сформулировать

ограничения, которые позволяют определить наступление момента, когда дальнейшие расчеты и анализ уже не дают полезных результатов.

Если мы игнорируем эти обстоятельства, то алгоритмы, которые приводят к бесполезным итерациям, напоминают нам об афоризме, принадлежащем Эпикуру (300 г. до н. э.): «Ничего не достаточно тому, кому достаточно слишком мало». Ещё хуже бывает, если использование вычислительных методов отодвигает на задний план основные принципы проектирования, с помощью которых инженер может улучшить проектные решения.

Следует отметить, что в основу исследований по проектированию энергоэффективных ИНУ в представленной работе положены физические принципы процессов нагрева и деформации. Отдавая должное мощному математическому аппарату оптимизации, следует помнить о возможностях его ошибочного применения. Во-первых, слово «оптимальный» иногда применяют для обозначения не лучшего из решений, а такого решения, которому отдает предпочтение проектировщик или потребитель. Во-вторых, проект может быть технически оптимален, но неверно выбрана целевая функция. В - третьих, проектировщик игнорирует некоторое существенное ограничение, связанное, например, со спецификой данного технологического процесса «ИНУ - ОМД». И, наконец, навязчивая идея во что бы то ни стало добиться идеального оптимума может привести к неоправданным затратам в тех случаях, когда более дешевые альтернативные решения практически не отличаются от оптимального.

При формализации достаточно общей задачи проектирования проектное решение представляется вектором

Х= X [У(1), Х(0)£, К] (1.1)

где составляющие векторы: У^)- внешнее воздействие, зависящее от времени; Х(0)- начальное условие; Ъ - параметры, не зависящие от времени; К -вектор параметров структурной или конструктивной схемы. При этом можно считать, что

Z=Z(K), У=У(1, К), Х=Х(1, К) (1.2)

На реализацию и функционирование объекта проектирования накладываются разнообразные ограничения, совокупность которых можно представить с помощью вектор - функционала

н род, уф, Х(0), г, К] <>= о (1.3)

Условия (1.1)-(1.3) выделяют в векторном пространстве переменных замкнутые допустимые области, внутри которых находятся искомые проектные решения

ХеОх , У е О у ,Х(0) б О о , ZeQz,KeQk, (1.4)

где О. - замкнутое множество векторов.

Представленная задача (1.1)-(1.4) относится к обратным задачам исследования операций, которые в общем виде некорректны. Для регуляризации задачи используется идея целенаправленности, которая в данном случае сводится к созданию энергоэффективных ИНУ.

Решение данной задачи, как правило, предполагает в общем случае три уровня, которыми в порядке эффективности применения являются:

• первый - выбор наилучшей руководящей технической идеи, принципа действия;

• второй - поиск наилучшей структуры в рамках выбранного принципа действия;

• третий - определение наилучших значений параметров (конструктивных и режимных), когда находится экстремум (1.5) по аргументу Ъ при фиксированном К с учетом (1.4).

Если рассматривается случай, когда объект проектирования по принципу действия предопределен - система индукционного нагрева, то рассмотрению подлежат последние два уровня задачи, которая в общем случае представляется в виде

I (X*) = ехй- 1(Х) \/ХеПК (1.5)

Здесь X* - проектное решение, отражающее в соответствии с (1.4) структуру системы и ее конструктивные и режимные параметры.

Основными элементами системы индукционного нагрева являются: индукционная установка, источник питания, конденсаторная батарея, схема управления и система электроснабжения.

Вначале, обычно на эвристическом уровне, определяется тип индукционного нагревателя по принципу действия (периодического, непрерывного, полунепрерывного) и конструктивному исполнению (цилиндрические, прямоугольные, щелевые, вертикальные, горизонтальные и т.п.).

Перед параметрическим синтезом необходимо четко выделить параметры системы, которые в общем случае можно разделить на входные (варьируемые) и выходные (рабочие показатели). Вектор варьируемых параметров значениями своих составляющих однозначно определяет вектор рабочих показателей, определяющий качество системы и характеризующий вариант проекта. В данном случае к рабочим показателям можно отнести следующие: производительность, температура н