автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка методики расчета индукционных установок периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок

На правах рукописи

005058574

НЕКРАСОВА НАТАЛЬЯ СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ГРАДИЕНТНОГО НАГРЕВА МЕРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ 2013

Москва-2013

005058574

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы».

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Лепешкин Александр Роальдович

начальник сектора ФГУП «Центральный институт

авиационного моторостроения»

им. П.И. Баранова, г. Москва

Ведущая организация:

кандидат технических наук

Хренков Николай Николаевич

советник генерального директора

ООО «Специальные системы и технологии»,

г. Мытищи

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности», г. Москва

Защита диссертации состоится 31 мая 2013 г. в аудитории М-611 в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: И1250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «30» апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С развитием современной металлургической промышленности возрастает необходимость применения процессов индукционного нагрева металлов с их последующей обработкой давлением. Это объясняется рядом преимуществ индукционного напева, которым он обладает, по сравнению с другими конкурентоспособными технологиями. Современные установки индукционного нагрева - это сложные высокопроизводительные агрегаты, которые являются неотъемлемыми составными частями автоматизированных технологических систем. Непрерывно растут требования к качеству нагрева, эффективности термических процессов и процессов управления.

Перед механической обработкой нагреваемая заготовка должна обладать строго определенной температурой - либо равномерной, либо с некоторым градиентом по ее длине. Температура заготовки не должна выходить за допустимые пределы, установленные технологическим процессом, в течение всего процесса нахрева. Основной задачей для нагрева мерных металлических заготовок является достижение максимально точного требуемого температурного режима заготовки и обеспечение предельно допустимой неравномерности нагрева.

При неравномерном нагреве по длине заготовок (градиенте температуры) требуется меньшее усилие прессования, т.к. при прессовании более горячего конца заготовки, тепло передается к более холодному концу, тем самым обеспечивая необходимую температуру металла в зоне прессового инструмента.

Процесс индукционного градиентного нагрева используется во многих отраслях промышленности (авиационной, кабельной, металлургической и др.) и является требованием ко многим технологическим процессам. Поэтому, возникает задача создания новых, более экономически эффекгавных технологии для увеличения производительности работа оборудования. Получение качественных результатов при решении поставленной задачи возможно путем оптимизации режимов работы и конструкции, как отдельных элементов, так и технологических комплексов в целом.

Проблемами оптимизации режимов работы нагревателей для индукционного храдиентного нагрева занимались отечественные и иностранные организации такие как: ВНИИЭТО, Уфимский государственный авиационный технический университет,Красноярский государственный технический университет, Aluminium Company of America, Inductotherm Corporation и другие организации, в которых использовались экспериментальные методы для осуществления процессов градиентного индукционного нагрева в установках периодического и непрерывного действия. При этом, несмотря на эффективность полученных решений, установки индукционного нагрева требуют дальнейшего изучения для повышения качества работы всего технологического процесса в целом.

Создание и исследование установок индукционного нагрева с использованием методик и рекомендаций, полученных на основе анализа экспериментальных данных и аналитических выражений, сегодня не удовлетворяет требованиям современного уровня развития техники индукционного нагрева. С раз-

витаем вычислительной техники и методов математического моделирования возросла роль численного эксперимента в принятии технических решении при разработке новых и совершенствовании известных установок индукционного нагрева.

В связи с этим проектирование индукционной установки должно завершаться этапом моделирования разработанной установки с цельюпроверкиее характеристик. В настоящее время для исследования физических явлении в электромагнитной системе индукционных нагревателей используют коммерческие пакеты программ, позволяющие выполнять совместный анализ электромагнитного и теплового полей в процессе нагрева.

Современный уровень развития вычислительной техники и численных методов позволяет провести компьютерное моделирование процесса.индукционного градиентного нагрева и получить более достоверные результаты а та^ же провести автоматизацию процессов расчета, на базе которых могут быть реотаны рекомендации по проектированию нагревателей индукционного

основных технологических и конструктивных параметров индукционных установок пртмьшшенной частоты (50 Гц) периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок под обработку давлением, позволяющей улучшить энергетические характеристики и повысить производи-

Те~^стГнГпосхавленной цели в работе решаются следующие

1 Проведение анализа существующих установок индукционного градиентного нагрева металлов под обработку давлением и существующих методов расчета и средств математического моделирования индукционных нагрев ател е и.

2 Разработка математических моделей для исследования электромагнитных и тепловых характеристик двух вариантов установок индукционного градиентного нагрева: с несимметричным расположением заготовки в односекци-онном индукторе и с симметричным расположением заготовки в двухсекционном индукторе. „ ..„

3 Проведение с помощью разработанных математических моделей исследований характеристик установок индукционного градиентного нагрева мерных заготовок для получения требуемого распределения температуры в заготовке и определения их электрических и теплотехнических характеристик.

4 Разработка методики расчета установок индукционного градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок различных материалов и геометрических размеров, реализованной в виде программного пакета.

5 Разработка рекомендаций по замене существующих установок трехста-дийного градиентного нагрева алюминиевых заготовок на одностадийный нагрев что обеспечивает повышение производительности и снижение расхода электроэнергии (на примере установки ООО «Завод Москабель»).

Методы исследования. Для математического моделирования электромагнитных и температурных полей при индукционном градиентном нагреве заготовок использовался программный пакет ELCUT. При разработке программного обеспечения для методики расчета установок градиентного нагрева использованы пакеты EXCEL и DELPHI. Адекватность разработанных математических моделей проверялась путем сравнения результатов расчетов с данными экспериментального исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели двух вариантов индукционных устройств для градиентного нагрева мерной цилиндрической заготовки, позволяющие исследовать электромагнитные параметры, распределение температуры в ¡заготовках, а также энергетические характеристики установок.

2. Установлены зависимости электрических, энергетических и теплотехнических характеристик установок от значения заглубления загрузки в индуктор и размеров секций индуктора „ГГТТТг, FXCFT И

3. Предложен метод расчета, использующий пакеты bLLUl и mixl и

позволяющий обрабатывать большое количество данных, тем самым, обеспечивающий повышение производительности при расчете режимов индукционного градиентного нагрева заготовок для двух вариантов систем «многослойный индуктор - магнитопровод - заготовка».

4. Разработана методика расчета параметров установки индукционного градиентного нагрева, реализованная в виде программного пакета GRADIENT, позволяющая определять наиболее эффективные варианты процесса нагрева и конструкции индуктора для цилиндрических заготовок из различных материалов.

Основные практические результаты работы:

1. Разработан алгоритм и программное обеспечение расчета процесса градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок.

2. Разработаны рекомендации по моделированию и определению эффективных режимов индукционного градиентного нагрева.

3. Предложены новые индукционные установки промышленной частоты для градиентного нагрева цилиндрической загрузки, позволяющие повысить производительность и снизить расход электроэнергии по сравнению с существующими установками.

Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами экспериментов, проведенных на действующем промышленном оборудовании.

Внедрение результатов работы. Результаты работы будут использованы при модернизации индукционного нагревателя периодического действия для прессового производства оболочки кабеля на ООО «Завод Москабель» (г. Москва).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались: на XV - XIX

Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009-2013), на 13-й и 15-ой международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, Крым, Украина, 2010 и 2012), на IX и X международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2011 и 2012), на международном молодежном форуме «Энергоэффективные электротехнологии» (Санкт-Петербург, 2011), на XVII конгрессе «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electro-

technologies» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 статья в ведущем рецензируемом издании, рекомендуемом в действующем перечне ВАК, и 4 доклада в материалах (трудах) международных конференций.

Личный вклад автора в результаты работ, выполненных в соавторстве, состоит в разработке расчетных, математических и физических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для расчета физических полей индукционных нагревателей, в проведении вычислительных и натурных экспериментов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 55 наименовании. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 70 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность диссертационной работы, сформулированы цель ее проведения и методы исследования, приведена общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор применения индукционных нагревательных установок и приведена классификация индукционных нагревателей в куз-нечно-прессовом производстве, а также рассмотрены особенности технологии и оборудование градиентного индукционного нагрева. Проанализированы существующие методы решения электромагнитных и тепловых задач при индукционном нагреве и применение математического моделирования для индукционных установок.

Типичные технологии предварительного нагрева перед обработкой металла давлением обеспечивают либо равномерное температурное распределение по объему заготовки, либо перепад температуры по длине заготовки (градиентный нагрев).

Технология градиентного нагрева позволяет добиться равномерности прочностных характеристик заготовки по ее длине за счет поддержания неизменной температуры в зоне деформации в ходе процесса прессования. П ри прессовании за счет энергии смятия металла выделяется тепло, что приводит к дополнительному нагреву заготовки, подвергшейся деформации. При этом если

прессование ведется последовательно по длине заготовки, то в начальный период обработки необходимо обеспечить более высокую температуру конца заготовки, т.е. при выходе из индуктора требуется неравномерное распределение температуры по длине заготовки, например, для алюминия температурный перепад между концами заготовки не превышает АТ= 100°С (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что на первом участке заготовки температура не меняется (установившийся нагрев), а после точки «а» начинает формироваться градиент температуры (зона перегрева одного конца заготовки). Положение точки «а» зависит от геометрических размеров заготовки и ее механических и тепло-физических параметров.

Режим градиентного нагрева заготовки перед обработкой давлением должен обеспечить требуемое распределение температуры по длине заготовки при определенных допустимых перепадах температуры по сечению, например, для

алюминиевой заготовки при диаметре 175 мм допустим перепад по сечению не более 80°С.

На практике для осуществления градиентного нагрева заготовки наиболее часто применяются два варианта: заготовка устанавливается в односекционном индукторе несимметрично (рис. 2а)и заготовка располагается симметрично в двухсекционном индукторе (рис. 2 б). При использовании частоты 50 Гц обычно используется многослойный индуктор.

L, им

Рис. 1. Температурный профиль по длине заготовки перед прессованием

1IHIMII1

/

Секция I

СеквпяП

1-й

С)

б)

Рис. 2. Градиентный нагрев заготовки в односекционном (в) и двухсекционном (б)

индукторе

Перепад температуры по длине заготовки возникает в первом варианте из-за концевых эффектов и определяется значением заглубления заготовки х в индуктор, а во втором варианте - из-за увеличенного настила тока (т.е. напряженности магнитного поля) во второй секции индуктора. Варьируя значениями заглубления * или длин секций Ьг и 1„ можно изменять распределение температуры по длине заготовки.

В результате анализа существующих методов решения электромагнитных и тепловых задач выбрано математическое моделирование с использованием пакета ЕЬСШ, с помощью которого удобно проводить исследование характеристик осесимметричных систем «многослойный индуктор - мапштопровод -

заготовка» рассматриваемых типов. „

По итогам обзора сформулированы задачи диссертационнои работы.

Во второй главе предложена методика проведения электротепловых расчетов которые учитывают решение электромагнитной и тепловой задач одновременно в программе ЕЬСиТ. Рассмотрена конструкция существующей установки индукционного градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок создана математическая модель установки индукционного градиентного нагрева промышленной частоты, исследованы свойства математической модели, доказана адекватность разработанной математической модели путем сравнения полученных данных с результатами эксперимента, проведенного на ООО «Завод Москабель», создается автоматизированная процедура расчета индукционного градиентного нагрева мерных заготовок с помощью программы ЕХСЬЬ.

Анализ магнитного поля переменных токов состоит из расчета электрического и магнитного поля, возбужденного приложенными переменными (синусоидально изменяющимися во времени) токами. Задача формулируется как дифференциальное уравнение в частных производных относительно комплексной амплитуды векторного магнитного потенциала А.

Для установки индукционного градиентного нагрева составляется осе-симметричная модель в программе ЕЬС11Т, которая описывается системами

уравнений (1) - (3).

Уравнение электромагнитного поля для осесимметричного случая:

дг

1 8(гА) гцг дг

4 " ' 1 ЗА . л

-гю%А = -} , (1)

д + —

&

Л дг.

где е- электропроводность, Их яИу(ргк Иг) - компоненты тензора магнитной проницаемости, ] - плотность тока, г - радиус, о - угловая частота. Плотность тока в катушке может быть получена из уравнения

. п-1

(2)

где и- число витков индуктора, I- полный ток индуктора, и 5- гою-, поперечного сечения кату При решении тепловых; для осесимметричного случая:

щадь поперечного сечения катушки.

При решении тепловых задач используется уравнение теплопроводности

1 а (, дТЛ д {, дТ\ дт

Рис. 3. Геометрическая модель системы «многослойный индуктор - магнитопровод - заготовка»

где Т - температура; t - время; X - теплопроводность; q - удельная мощность тепловыделения; с - удельная теплоемкость; р - плотность.

Разработанная осесимметричная математическая модель для исследования характеристик индукционной установки с использованием пакета ELCUT (рис. 3) состоит из четырех подобластей - индуктора {1), магнитопровода (2),

заготовки (5) и воздуха (4). 12 3 4 А-О

Магнитный потенциал А на границе. расчетной области задается равным >1 = 0.

Исходя из физической сущности рассматриваемой задачи, при составлении математической модели был принят, ряд допущений, позволивших получить удовлетворительную точность описания температурного поля с помощью численного метода:

1. На границах расчетной области заданы значения напряженности магнитного поля Я.

2. На границах заготовки задается значение теплового потока q (t).

3. Витки индуктора сплошные.

4. Магнитопровод имеет форму трубы, и потерями в нем пренебрегаем.

5. Электро- и теплофизические характеристики материала заготовки для каждого этапа нагрева приняты постоянными.

В связи с большим объемом вычислений, для оптимизации процесса расчета электротепловых процессов установки индукционного нагрева, с помощью макросов программы EXCEL и программы ELCUT, создана автоматизированная процедура расчета, применение которой означает, что достаточно ввести в таблицы EXCEL необходимые для расчетов данные и запустить процесс (рис. 4).

Далее алгоритм берет на себя управление работой ELCUT и решением поставленного технологического задания. EXCEL направляет размеры и свойства деталей установки - блоки геометрической мо-

Рис. 4. Алгоритм работы автоматизированной процедуры расчета

дели, свойства ребер (границ этих блоков), шаги сетки конечных элементов, рабочую частоту и другие необходимые для работы данные. ELCUT строит геометрическую модель, вычисляет магнитное и тепловое поля установки и передает расчетные параметры вновь в EXCEL.

В перспективе автоматизированная процедура расчета может быть полезна для реализации числовых технологических экспериментов, а также служить составной частью числовых моделей процесса производства индукционных установок градиентного нагрева в целом.

В связи с тем, что нагрев может проводиться в несколько этапов (принято три этапа), на каждом из которых используется свое значение тока в индукторе или разное включение витков в секциях, предложена схема расчета, представленная на рис. 5.

Задача магнитного поля переменных токов

Мощность тепловыделения

Задача нестационарной теплопередачи

Этап 1.

Начальная

Задача температурного поля

температура Т=20°С

Распределение температуры после 1-го этапа

Задача магнитного поля переменных токов Задача к е стационарно 5 теплопередачи

Мощность

Этап 2.

Распределение температуры после 2-го этапа

Задача магнитного поля переменных TOKOS

Мощность тепловыделения

Задача нестационарной теплопередачи

ЭтапЗ.

Распределение температуры после 3-го этапа

Рис. 5. Схема выполнения связанных расчетов

На каждом шаге математического моделирования проводится связанный расчет задач магнитного поля переменных токов и нестационарной теплопередачи.

Первым шагом является создание модели, параметров расчета и решение электромагнитной задачи, откуда данные тепловыделения в заготовки подаются в задачу нестационарной теплопередачи.

В задаче нестационарной теплопередачи для основного нагрева необходимо задаться начальной температурой. Для этого проводится расчет температурного поля с заданной мощностью тепловыделения, при которой температура

заготовки равна 20°С. Связываем полученную задачу с задачей нестационарной теплопередачи.

Для проверки адекватности разработанных математических моделей проведено сравнение результатов расчета с данными экспериментов, проведенных на предприятии ООО «Завод Москабель». В установке индукционного градиентного нагрева промышленной частоты для наложения алюминиевои оболочки на кабельный сердечник формирование требуемой кривой температурного поля заготовки осуществляется в три этапа различной длительности, количества включенных витков и тока индуктора (табл. 1).

Основные параметры индуктора: длина - 550 мм, диаметр - 340 мм. Размеры заготовки: длина - 438 мм, диаметр - 175 мм.

Таблица 1

Этап Время т, с Количество витков, п Температура Т,°С Ток индуктора /«, А

Основной нагрев 60 84 330 2540

Выдержка 43 84 310 0

Градиентный на- 15 48 420 2280

На первом этапе (основной нагрев) при /„= 2540 А достигается распределение температуры с провалом в зоне середины заготовки (наибольшее значение 345°С). Далее следует второй этап - этан выдержки (ток в ВДкторе отсутствует) для выравнивания температуры на уровне 330 С. На третьем этапе включается только половина витков индуктора со стороны более «горячего» конца заготовки с 1и = 2280 А, и формируется требуемое распределение температур практически по линейному закону до 420°С.

В результате решения нескольких связанных электромагнитных задач и задач нестационарной теплопередачи с помощью разработанной программы, были получены распределения температуры в заготовке для трех этапов нагрева: основного (а), выдержки (б) и градиентного (в), показанные на рис. 6.

Из рис. 6 видно, что уже на этапе основного нагрева формируется направленный градиент температуры за

Рис. 6. Распределение температуры в заготовке на трёх этапах нагрева

счет большего свеса индуктора со стороны более горячего конца заготовки. Однако в конце основного нагрева наблюдается «провал» температурной кривой в середине заготовки. По этой причине отключают индуктор от источника питания для выравнивания температурных полей заготовки (этап выдержки).

Результаты расчета трехэтапного режима нагрева, полученные с использованием разработанной мо-

430 390

i I

| 350

т я

| 310

V

S

ß 270 230-

/У У

эюакгшжнгг} агрев ♦ - # ✓ ♦ /

• ^ "Ч ] «■ т [В клер ' кга (эк :пернм расчет нт) А

S > Ч ~ ТВыдер ОСНОВ! шПра ort нал чет) >еэ * /7 "V /

v, ■х »V.I^KCIKi ** ч^ГГ ныенг) Осн fpr ВНОЙЕ ;яЗ, прев

50 100

150 200 250 300 Длина заготовки, мм

350 400

Рис.7. Распределение температуры по длине заготовки на этапах нагрева

дели, достаточно точно совпадают с результатами эксперимента, проведенного на работающей установке индукционного нагрева (рис. 7).

Используемый в производстве нагрев заготовки перед прессованием в три этапа нагрева достаточно трудоёмкий и длительность его велика (118 с), что влечет за собой дополнительные затраты на электроэнергию, а также снижение выпуска продукции. Поэтому возникает задача осуществления градиентного нагрева в один менее длительный этап.

В третьей главе на базе разработанной математической модели для расчета параметров установки индукционного градиентного нагрева в программе ELCUT были проведены исследования влияния заглубления заготовки в индуктор исполнения индуктора, а также геометрических размеров и электрофизических параметров заготовки на энергетические характеристики установки индукционного нагрева. Рассмотрен градиентный нагрев мерных цилиндрических заготовок длиной 350-500 мм и диаметром 140-200 мм из алюминия (в основном), а также меди, стали и титана.

Главной задачей исследования является формирование заданного температурного распределения в заготовке. Комплексная задача проектирования конструктивных и режимных параметров системы «многослойный индуктор - маг-нитопровод-заготовка» формулируется следующим образом: необходимо наи-ти значения параметров основных проектных характеристик системы индукционного нагрева, обеспечивающие ее эффективную работу в условиях заданных ограничений и требуемое конечное распределение температуры заготовки. Данная формулировка приводит к необходимости многократного решения поисковых задач для электромагнитных и тепловых процессов. Разработанные модели градиентного нагрева заготовок в установке индукционного нагрева позволяет рассмотреть большое число вариантов конструкций и режимов нагрева и выбрать наиболее эффективный.

Моделирование трехэтапного режима индукционного градиентного нагрева металлических заготовок, проведенное с использованием программного пакета ELCUT, позволило предложить варианты модернизации существующей нагревательной установки, которые осуществляют нагрев в один этап, что обеспечивает увеличение производительности всего технологического процесса и снижение потребления электроэнергии.

Исследование установки индукционного градиентного нагрева промышленной частоты проведено для определения влияния на распределение температуры в заготовке и энергетические характеристики системы «многослойный индуктор - магнитопровод - заготовка» следующих факторов:

■ • Расположение заготовки в индукторе (размер заглубления).

• Конструкция двухсекционного индуктора.

• Электро- и теплофизические характеристики и геометрические размеры заготовки.

При несимметричном расположении заготовки в индукторе (вариант 1; рис. 2 а) распределение напряженности магнитного поля Я и температуры Г по длине заготовки изменяется в зависимости от значения заглубления а при симметричном расположении заготовки в двухсекционном индукторе (вариант 2; рис. 2 б) в зависимости от размеров секций.

Исследования проведены для нагрева алюминиевой заготовки длинои 438 мм и диаметром 175 мм на частоте 50 Гц. Задан перегрев конца заготовки ДГ «100°С (рис. 1), а ограничением служит перепад температуры по радиусу

заготовки не более 80°С.

Для достижения требуемого распределения температуры по длине заготовки выбраны вариант 1 (размер заглубления х = 30 мм, ток индуктора -1850 А) и вариант 2 (длина 1, = 92 мм и 1ц= 422 мм, ток индуктора/„- 1900 А).

Полученные графики распределения температуры по длине алюминиевои заготовки для предложенных вариантов представлены на рис. 8.

470 460 430 410 390 ; 370 . 350 330 310

вэяяеш"

•I.............. J>

/

► •

0 10 S0 110 170 2» 280 340 400 430 433 Длина заготовки, мм

&

Ü 350 с 330

310

"EffiBBefflÄSH"

'жгаданщша

10 Ю 110 170 220 280 340 400 430 438 Длина заготовки, мм

а)

б)

Рис 8 Варианты достижения градиентного нагрева: изменение заглубления алюминиевой заготовки в индуктор (а) и использование двухсекционного индуктора (б)

Расчетные значения энергетических характеристик вариантов 1 и 2 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики вариантов градиентного нагрева

Энергетические характеристики Вариант 1 Вариант 2

Активная мощность системы, кВт 143 136

Коэффициент мощности 0,26 0,32

Электрический КПД 0,85 0,86

Из табл. 2 видно, что по энергетическим параметрам вариант с двухсекционным исполнением индуктора несколько лучше, чем с заглублением заготовки в индуктор на 30 мм. Однако с учетом стоимости и сложности в изготовлении двухсекционного индуктора, вариант 1 достижения градиентного нагрева в один этап нагрева проще реализуем.

В общем случае выбор варианта должен производиться на основе полного

технико-экономического расчета.

С помощью разработанной математической модели в диссертационнои работе проведены исследования градиентного нагрева помимо алюминия также и других металлов: меди, титана и нержавеющей (немагнитной) стали, используемых в промышленности.

На рис. 9 представлены графики распределения температуры по поверхности в алюминиевой, стальной, медной и титановой заготовках за г- 60 с

при заданных энергетических параметрах установки.

Из полученных распределений температуры видно, что, благодаря низким теплопроводности и теплоемкости по сравнению с другими исследуемыми материалами, сталь и титан имеют явное различие температур на поверхности и в зоне середины заготовки. Причем у титана, обладающего довольно низкой теплопроводностью, прогрев поверхности заготовки происходит быстрее, чем у других материалов (температура достигает 775 °С).

Энергетические характеристики, полученные в результате расчета режимов нагрева заготовок диаметром 175 мм и длиной 438 мм в индукторе длиной 550 мм при расположении заготовки с заглублением 67 мм

из различных металлов представлены в табл. 3. <

i

а /

€

' о 10 50 110 170 220 280 340 400 430 438 Длина заготовки, мм

Рис. 9. Распределение температуры на поверхности заготовок из алюминия (а), стали (б), меди (в) и титана (г) (г = 60 с)

Таблица 3

Сравнение энергетических параметров индукционной установки _______—ooTwr/innv тлп ПЯЧПИЧНТ.ТХ металлов

Энергетические характеристики Алюминий Сталь Медь Титан

Активная мощность индуктора, кВт 270 338 255 390

Коэффициент мощности индуктора 0,25 0,29 0,24 0,28

Электрический КПД 0,85 0,91 0,82 0,93

DELPHI Ввод неходких данных в таблицы: duh.I. <6,4. .!, р

EXCEL

Выбор из таблиц В££РЯ7входак параметров упаковки Передача данных в EXCEL

•'Разработанные математические модели позволяют подобрать требуемое распределение температуры для любого материала заготовку

В четвертой главе разрабатывается программа GRADIENT наказе созданной автоматизированной процедуры расчета, с помощью которой моделирование установки индукционного градиентного нагрева и ее исследование упрощается и ускоряется. Для создания автоматизированной процедуры расчета паршетров установки индукционного градиентного нагрева в программе ELCiU?использовалась программа EXCEL, в которой с помощью макросов создавалась процедура, направляющая в ELCUT размеры и свойства деталей установки - блоки геометрической модели, свойства ребер (границ этих блоков), шаги сетки конечных элементов, рабочую частоту и другие необходимые для работы данные. ELCUT строит геометрическую модель, вычисляет магнитное и тепловое поля установки.

Для ввода данных в автоматизированную процедуру расчета, а таюке для обработки и вывода на дисплей полученных результатов с помощью среды программирования DELPHI создана программа GIL4-DIENT(рис. 10).

Программа GRADIENT использует для проведения вычислений пакет ELCUT, причем исходные для расчетов данные: геометрические размеры и свойства заготовки и индуктора, шаги сетки конечных элементов, рабочая частота, энергетические па-

EXCEL

Выбор из таблиц входных параметров установка Передача данных в ELCUT

Запуск ELCUT Построение геометрической модели установи! Моделирование электромагнитной я тепловой задач

EXCEL

Вывод результатов расчета в таблицы Расчет энергетических характеристик cos?, 17

DELPHI

Выбор результатов расчета из таблиц EXCEL Анализ результатов расчета

Рис. 10. Блок-схема программы GRADIENT

раметры и другие, формируются предварительно в пакете EXCEL. После выполнения расчетов в пакете ELCUT результаты направляются в EXCEL и вновь в DELPHI для вывода результатов.

Для пользователя применение программы GRADIENT означает, что достаточно ввести необходимые для расчетов данные в таблицы окна ввода (рис. 11) и запустить процесс, чтобы получить необходимые результаты расчета. Созданная программа упрощает ввод исходных параметров и анализ полученных результатов расчетов, а также дает возможность решать обратную задачу, т.е. определять параметры установки по заданному распределению температуры в заготовке.

1 8мл h»uahw* двимк*!

Гломв'ричисжив вознррм

• боФдапвсигевЛииц Iй

Звгпуй'ми.ло (.',. мм

й«иМр»«Л¥»№|>в(С? ни flau-o легоив»« (L-soAГ4Я

Мшвриоп a««'"«» :

flofuutrnpN авпиипки

IЙГ

Ришенкп «я«лгрвжии»|»ной зплачи| Голо* pun 20 гролцсоо Рвавяив lennouoO аютчи

Реацяъгъг рост» j в

jr ;"

—I'

.....

Рис. 11. Окно поогоаммы GRADIENT

С помощью разработанной программы можно при проектировании новых установок проводить большое число вычислительных экспериментов и получать распределение темпе ратуры в заготовке для различных вариантов конструкции индуктора и режимов работы установки, что позволяет выбрать наиболее эффективный вариант, обеспечивающий повышение производительности и энергетических показателей.

В данной главе диссертации произведено сравнение технико-экономических показателей двух вариантов модернизации индукционной установки градиентного нагрева, что отражает актуальность произведенных расчетов и исследований.

Расход электроэнергии (кВт. ч) в сутки, при двухсменном режиме работы оборудования, на нагрев алюминиевых слитков в существующей установке индукционного градиентного нагрева составляет - 1007 кВт. ч, используя вари-

ант 1 исполнения установки - 940 кВт. ч, а при варианте 2 - 892 кВт. ч. Из полученных данных видно, что по-сравнению с существующей установкой, экономия электроэнергии в сутки для варианта 1 составляет 67 кВт. ч, а для варианта 2- 116 кВт. ч.

По проведенным расчетам распределения энергетических затрат на нагрев алюминиевых заготовок в сутки, при двухсменном режиме работы установки, вариант с предложенным двухсекционным исполнением индуктора (вариант 2) является наиболее выгодным с точки зрения производимых затрат на электроэнергию, однако изготовить его сложнее по-сравнению с вариантом изменения значения заглубления заготовки в индуктор (вариант 1) и, следовательно, срок окупаемости установки увеличивается.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разра ботаны математические модели с использованием пакета ELCUT для исследования процесса индукционного градиентного нагрева на промышленной частоте для симметричного и несимметричного расположения заготовки в одно- и двухсекционном индукторе соответственно, позволяющие определять энергетические характеристики установки и распределение температуры в заготовке.

2. Док азана адекватность разработанных математических моделей путем сравнения результатов расчета и эксперимента, проведенного на промышленной установке (отличие результатов по энергетическим характеристикам и температуре не превышает 10%).

3. Исследов ано влияние геометрических размеров и электро - и теплофи-зических параметров нагреваемой заготовки и индуктора на распределение температуры в заготовке и энергетические характеристики установки, и показана возможность градиентного нагрева заготовок различного диаметра и длины в одном индукторе без существенного снижения энергетических характеристик (на примере алюминиевых заготовок).

4. На основе проведенных расчетов установлено, что использование двухсекционного индуктора для градиентного нагрева алюминиевой заготовки энергетически выгоднее, чем односекционного. В общем случае выбор варианта индуктора с учетом сложности его изготовления должен основываться на результатах полного технико-экономического расчета.

5. Разра ботана методика расчета электро- и теплотехнических характеристик установок индукционного градиентного нагрева промышленной частоты (двух вариантов), реализованная в виде программы GRADIENT , которая позволяет осуществлять быстрый ввод данных, расчет электротепловой задачи и анализ полученных результатов, а также дает возможность задаваться требуемыми температурами и получать необходимый технологический режим.

6. С использованием результатов диссертационной работы для ООО «Завод Москабель» разработано техническое предложение на создание индукционной установки градиентного нагрева алюминиевых заготовок для

производства металлической оболочки кабеля, позволяющей снизить расход электроэнергии на 7% по сравнению с существующими установками при той же производительности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кувалдин А.Б., Некрасова Н.С. Мо делирование индукционного градиентного нагрева алюминиевых заготовок // Индукционный нагрев, 2011, № 16.-С. 17-21.

Публикации в других изданиях

2. Тишунина Н.С. Моделирование градиентного индукционного нагрева алюминиевых заготовок // Тез. докл. XV междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2009. - С. 173-174.

3. Nekrasova N.S., Kuvaldin А.В. Computer model for calculating the temperature distribution in the billet during induction gradient heating / 13 International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components. ICEEE-2010. Alushta, Crimea, Ukraine. 23-29 September. - P. 117.

4. Некрасова H.C. Компьютерное моделирование режимов градиентного индукци-онного нагрева для наложения алюминиевой оболочки кабеля / Тез. докл. XVI междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2010. - С.181-182.

5. Некрасова Н.С. Численное моделирование индукционного градиентного нагрева металлических заготовок // Труды международного молодежного форума «Энергоэффективные электротехнологии». Санкт-Петербург, 2011.-С. 53.

6. Некрасова Н.С. Метод моделирования градиентного нагрева металлических заготовок / Тез. докл. XVII междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2011.-С. 209-210.

7. Кувалдин А.Б., Некрасова Н.С. Автоматизированная процедура расчета распределения тепловых и электромагнитных полей при индукционном градиентном нагреве // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. Тез. докл. IX междунар. научно-практич. интернет-конференции. Орел, 2011. - С. 175-177.

8. Kuvaldin A., Nekrasova N. Mode induction gradient heating research // XVH congress «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (St. Petersburg, 2012). - P.l-9.

9. Некрасова H.C., Кувалдин А.Б. Анализ вариантов исполнения индукционной установки градиентного нагрева / XIV Me ждунар. конф. «Элек-

тромеханика, Электротехнологии, Электротехнические материалы и компоненты». Труды МКЭЭЭ-2012. 23-29 сентября. Крым, Алушта. 2012 - С. 302-304.

10. Некрасова Н.С. Автоматизированный расчет параметров установки индукционного градиентного нагрева // Тез. докл. XVIII междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и

энергетика». Москва, 2012. - С.361.

11. Кувалдин А.Б., Некрасова Н.С. Программа GRADIENT для исследования индукционного градиентного нагрева // Энерго- и ресурсосбережение -XXI век. Тез. докл. X междунар. научно-практич. интернет-конференции.

Орел, 2012.-С. 148-150.

12 Некрасова Н.С. Инженерная методика расчета параметров индукционного градиентного нагрева // Тез. докл. XIX междунар. научно-технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, 2013. - С. 309.

Подписано в печать U.Oii.k Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д.13

Зак. №

Тир. то и .л.



ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201357236

Некрасова Наталья Сергеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ГРАДИЕНТНОГО НАГРЕВА МЕРНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Кувалдин А.Б.

Москва-2013

Оглавление

Введение................................................................................... 4

Глава 1. Обзор литературы по теме диссертации............................. 11

1.1. Применение индукционных нагревателей в кузнечно-прессовом производстве............................................................................. 11

1.2. Особенности технологии градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок............................................................. 12

1.3. Способы реализации индукционного градиентного нагрева............. 18

1.4. Анализ существующих методов расчета электротепловых полей...... 23

1.5. Применение математического моделирования для установок индукционного нагрева мерных заготовок......................................... 30

1.6. Цель и задачи, решаемые в диссертационной работе...................... 34

Глава 2. Разработка математической модели процесса индукционного градиентного нагрева........................................... 36

2.1. Постановка задачи.................................................................. 36

2.2. Методика проведения электротеплового расчета в пакете ЕЬСиТ...... 41

2.3. Исследование свойств математической модели.............................. 43

2.4. Создание автоматизированной процедуры расчета индукционного градиентного нагрева................................................................... 48

2.5. Работа автоматизированной процедуры расчета установки индукционного градиентного нагрева............................................... 53

2.6. Результаты компьютерного моделирования и проверка адекватности разработанной математической модели............................................. 57

2.7. Выводы по главе 2.................................................................. 64

Глава 3. Исследование характеристик установок индукционного градиентного нагрева................................................................. 65

. 3.1. Постановка задачи.................................................................. 65

3.2. Расчет энергетических параметров установки.............................. 66

3.3. Влияние размера заглубления заготовки в индуктор на энергетические характеристики установки........................................

3.4. Влияние исполнения индуктора на энергетические характеристики установки.................................................................................

3.5. Сравнение вариантов установок индукционного градиентного нагрева заготовок по энергетическим показателям..............................

3.6. Влияние геометрических размеров заготовки на энергетические характеристики установки............................................................

3.7. Влияние электрофизических характеристик материала заготовки на энергетические характеристики установки........................................

3.8. Выводы по главе 3..................................................................

Глава 4. Разработка инженерной методики расчета установки индукционного градиентного нагрева промышленной частоты.........

4.1. Постановка задачи..................................................................

4.2. Разработка программы GRADIENT на базе автоматизированной процедуры расчета.......................................................................

4.3. Работа программы GRADIENT..................................................

4.4. Техническое предложение для ООО «Завод Москабель»..................

4.5. Выводы по главе 4..................................................................

Выводы по работе......................................................................

Список литературы....................................................................

Введение

Нагрев металла является одним из важнейших звеньев производственного процесса в металлургии, влияющий на производительность, энерго- и материалоемкость производства, себестоимость и качество продукции. Выбор метода нагрева существенным образом отражается на технико-экономических показателях продукции. Здесь необходимо учитывать технологичность и мобильность производства, его объемы, стоимость сырья и энергоносителей, качественные показатели продукции и другие факторы.

На сегодняшний день для сохранения имеющегося рынка сбыта требуются постоянное увеличения качества выпускаемой продукции и уменьшение издержек производства. В связи с этим происходит модернизация производственного комплекса с применением энергосберегающих технологий и приобретением нового наукоемкого оборудования.

Во многих случаях для модернизации производства целесообразно использование в процессах нагрева индукционного оборудования. Это объясняется рядом преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, отсутствие контакта между индуктором и металлом, простота управления процессом, возможность полной автоматизации, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания.

Эффективно применение индукционных нагревательных установок для нагрева заготовок в процессе механической обработки металлов, в частности, при нагреве заготовок под пластическую деформацию. По сравнению с иными методами нагрева, метод индукционного нагрева заготовок позволяет существенно сократить затраты энергоносителей, производственного времени и, в конечном итоге, снизить себестоимость продукции [1-2].

В промышленных условиях необходимо подвергать механической обработке заготовки различных геометрических размеров и физических свойств, что вызывает определенные трудности при проектировании нагревательных установок для данных изделий, и требования, предъявляемые при этом к качеству нагрева заготовок, обуславливают задачу построения таких систем.

С развитием современной металлургической промышленности возрастает необходимость применения процессов индукционного нагрева металлов с их последующей обработкой давлением. Это объясняется рядом преимуществ индукционного нагрева, которым он обладает, по сравнению с другими конкурентоспособными технологиями. Современные установки индукционного нагрева - это сложные высокопроизводительные агрегаты, которые являются неотъемлемыми составными частями автоматизированных технологических систем. Непрерывно растут требования к качеству нагрева, эффективности термических процессов и процессов управления.

Перед механической обработкой нагреваемая заготовка должна обладать строго определенной температурой - либо равномерной, либо с некоторым градиентом по ее длине. Температура заготовки не должна выходить за допустимые пределы, установленные технологическим процессом, в течение всего процесса нагрева. Основной задачей для нагрева мерных металлических заготовок является достижение максимально точного требуемого температурного режима заготовки и обеспечение предельно допустимой неравномерности нагрева.

При неравномерном нагреве по длине заготовок (градиенте температуры) требуется меньшее усилие прессования, так как при прессовании более горячего конца заготовки, тепло передается к более холодному концу, тем самым обеспечивая необходимую температуру металла в зоне прессового инструмента. Наиболее широко применяется градиентный нагрев таких металлов как алюминий, медь, сталь и титан.

Индукционные установки промышленной частоты для градиентного нагрева заготовок используются во многих отраслях промышленности (кабельной, авиационной, металлургической и др.) и являются весьма энергоемкими, поэтому возникает задача их совершенствования, в частности, улучшения энергетических показателей и повышения производительности.

Проблемами расчета и оптимизации режимов работы установок для индукционного градиентного нагрева занимались отечественные и иностранные организации, такие как ВНИИЭТО, Уфимский государственный авиационный тех-

нический университет, Красноярский государственный технический университет, Aluminium Company of America, Inductotherm Corporation и другие организации.

В известных работах использовались, главным образом, расчетные аналитические и экспериментальные методы для разработки процессов градиентного индукционного нагрева в установках периодического и непрерывного действия.

Для дальнейшего совершенствования установок индукционного градиентного нагрева и режимов их работы, а также для повышения качества работы всего технологического процесса в целом целесообразно использовать методы компьютерного моделирования.

Создание и исследование установок индукционного нагрева с использованием методик и рекомендаций, полученных на основе анализа экспериментальных данных и аналитических выражений, сегодня не удовлетворяет требованиям современного уровня развития техники индукционного нагрева.

С развитием вычислительной техники и методов математического моделирования возросла роль численного эксперимента в принятии технических решений при разработке новых и модернизации известных установок индукционного нагрева. В связи с этим проектирование индукционной установки должно завершаться этапом моделирования разработанной установки с целью проверки ее характеристик. В настоящее время для исследования физических явлений в электромагнитной системе индукционных нагревателей используют универсальные пакеты программ, позволяющие выполнять совместный анализ электромагнитного и теплового полей в процессе нагрева. Это позволяет провести компьютерное моделирование процесса индукционного градиентного нагрева и получить более достоверные результаты, а также автоматизировать процессы расчета, на базе чего могут быть разработаны инженерная методика расчета и рекомендации по проектированию нагревателей индукционного градиентного нагрева с улучшенными характеристиками.

Анализ физических процессов в индукционных установках для градиентного нагрева промышленной частоты может быть выполнен с помощью математической модели на основе численных методов. Модель должна описывать взаи-

модействие электромагнитного и теплового полей в системе «многослойный индуктор - магнитопровод - заготовка».

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета основных технологических и конструктивных параметров индукционных установок промышленной частоты (50 Гц) периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок под обработку давлением, позволяющей улучшить энергетические характеристики и повысить производительность оборудования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Проведение анализа существующих установок индукционного градиентного нагрева металлов под обработку давлением и существующих методов расчета и средств математического моделирования индукционных нагревателей.

2. Разработка математических моделей для исследования электромагнитных и тепловых характеристик двух вариантов установок индукционного градиентного нагрева: с несимметричным расположением заготовки в односекционном индукторе и с симметричным расположением заготовки в двухсекционном индукторе.

3. Проведение с помощью разработанных математических моделей исследований характеристик установок индукционного градиентного нагрева мерных заготовок для получения требуемого распределения температуры в заготовке и определения их электрических и теплотехнических характеристик.

4. Разработка методики расчета установок индукционного градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок различных материалов и геометрических размеров, реализованной в виде программного пакета.

5. Разработка рекомендаций по замене существующих установок трехста-дийного градиентного нагрева алюминиевых заготовок на одностадийный нагрев, что обеспечивает повышение производительности и снижение расхода электроэнергии (на примере установки ООО «Завод Москабель»).

Методы исследования. Для математического моделирования электромагнитных и температурных полей при индукционном градиентном нагреве заготовок использовался программный пакет ELCUT . При разработке программного обеспечения для методики расчета установок градиентного нагрева использованы пакеты EXCEL и DELPHI. Адекватность разработанных математических моделей проверялась путем сравнения результатов расчетов с данными экспериментального исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели двух вариантов индукционных устройств для градиентного нагрева мерной цилиндрической заготовки, позволяющие исследовать электромагнитные параметры, распределение температуры в заготовках, а также энергетические характеристики установок.

2. Установлены зависимости электрических, энергетических и теплотехнических характеристик установок от значения заглубления загрузки в индуктор и размеров секций индуктора

3. Предложен метод расчета, использующий пакеты ELCUT и EXCEL и позволяющий обрабатывать большое количество данных, тем самым, обеспечивающий повышение производительности при расчете режимов индукционного градиентного нагрева заготовок для двух вариантов систем «многослойный индуктор -магнитопровод - заготовка».

4. Разработана методика расчета параметров установки индукционного градиентного нагрева, реализованная в виде программного пакета GRADIENT, позволяющая определять наиболее эффективные варианты процесса нагрева и конструкции индуктора для цилиндрических заготовок из различных материалов.

Основные практические результаты работы:

1. Разработан алгоритм и программное обеспечение расчета процесса градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок.

2. Разработаны рекомендации по моделированию и определению эффективных режимов индукционного градиентного нагрева.

3. Предложены новые индукционные установки промышленной частоты для градиентного нагрева цилиндрической загрузки, позволяющие повысить производительность и снизить расход электроэнергии по сравнению с существующими установками.

Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами экспериментов, проведенных на действующем промышленном оборудовании.

Внедрение результатов работы. Результаты работы будут использованы при модернизации индукционного нагревателя периодического действия для прессового производства оболочки кабеля на ООО «Завод Москабель» (г. Москва).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались: на XV - XIX Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009-2013), на 13-й и 15-ой международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, Крым, Украина, 2010 и 2012), на IX и X международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2011 и 2012), на международном молодежном форуме «Энергоэффективные электротехнологии» (Санкт-Петербург, 2011), на XVII конгрессе «Energy efficient, economically sound, ecologically respectful, educationally enforced electrotechnologies» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 статья в ведущем рецензируемом издании, рекомендуемом в действующем перечне ВАК, и 4 доклада в материалах (трудах) международных конференций.

Личный вклад автора в результаты работ, выполненных в соавторстве, состоит в разработке расчетных, математических и физических моделей, алгорит-

мов и программного обеспечения для расчета физических полей индукционных нагревателей, в проведении вычислительных и натурных экспериментов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 55 наименований. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 70 рисунков и 11 таблиц.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.1. Применение индукционных нагревателей в кузнечно-прессовом

производстве

Индукционные установки для нагрева отличаются компактностью, возможностью концентрировать большие мощности, получать высокие температуры и производительность, легко поддаются ремонту. Распределение температуры зависит от многих параметров, в том числе от свойств нагреваемого изделия. Индукционные установки обычно имеют более низкий, чем у печей сопротивления КПД и значительно худший коэффициент мощности, для повышения которого приходится применять конденсаторы. Индукционные установки с источниками питания (преобразователи частоты, трансформаторы) и конденсаторами дороже и слож�