автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями

На правах рукописи

005061*°*

ВАСИЛЬЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ И ТЕПЛОВЫМ ЭКРАНОМ СО СНИЖЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Р. мюн 2013

Москва, 2013

005061282

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Национальный Исследовательский Университет "МЭИ" на кафедре "Автоматизированные элекгротехнологические установки и системы".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисовч, профессор кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ"

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Долбилин Евгений Валентинович, профессор кафедры Электротехники "МАМИ"

кандидат технических наук Печоркин Валерьян Витольдовича, зав. отделом ОАО НПО "ЦНИИТМАШ"

Ведущая организация:

ООО "Энерготерм-Система" (г. Истра)

Защита состоится "28" июня 2013 г. в аудитории М-611 в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ" по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Автореферат разослан " 2.4 " ^ч^^ 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

С. А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Проведение прецизионных и высокотемпературных технологических процессов с различными материалами, в том числе тугоплавкими, радиоактивными и полупроводниковыми, с получением конечного продукта высокого качества за один переплав успешно реализуется в индукционных печах с так называемым холодным тиглем (ХТ). Это достигается благодаря сочетанию особенностей плавки (отжатие от стенок тигля и циркуляция расплава) и исключением загрязнения расплава материалом металлического секционированного во-доохлаждаемого тигля. Такие печи применяются в авиакосмической, автомобильной, химической, электронной и других отраслях промышленности. Диапазон их технических характеристик весьма широкий: рабочая температура до 3000 °С; внутренний диаметр тигля 60-600 мм; частота 0,05-30 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников) и 0,5-10 МГц (плавка оксидных материалов); потребляемая мощность 60-2000 кВт и более; производительность и удельный расход электроэнергии зависят от технологического процесса и расплавляемого материала.

Холодный тигель также может использоваться в индукционных, печах с керамическим тиглем в качестве защитного теплового экрана (ТЭ). Такой экран размещается между тиглем и индуктором, защищая последний от возможного прохода расплава через керамический тигель при его повреждении и тем самым значительно повышая надёжность печи.

Печи с керамическим тиглем широко используются для плавки чёрных и цветных металлов: рабочая температура до 1700 °С, ёмкость тигля 60-2500 кг, частота 0,05-10 кГц, потребляемая мощность 100-1600 кВт.

Распространение индукционных печей с ХТ (ТЭ) сдерживается дополнительными электромагнитными потерями в этих элементах (до 40% подводимой к индуктору мощности) и, следовательно, большим расходом охлаждающей их воды (не менее 0,25 л/с на секцию).

В связи с этим задача разработки методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) и тепловым экраном (ИТП с ТЭ) с улучшенными за счёт подбора параметров секций тигля или экрана энергетическими показателями и, следовательно, уменьшенным расходом охлаждающей воды является весьма актуальной.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта индукционных печей с металлическим секционированным водоохлаждаемым тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующих конструкций и методов расчёта индукционных печей с металлическим тиглем (экраном).

2. Разработка трёхмерной математической модели индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.

3. Исследование параметров модели и выработка рекомендаций по работе с ней, проверка адекватности.

4. Исследование с помощью модели влияния геометрических и электрофизических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей.

5. Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Соответствие темы исследования паспорту специальности «Электротехнология» - 05.09.10

1. Развитие общей теории электротехнологических комплексов и систем, изучение системных свойств, связей и механизмов протекания процессов, их физическое, математическое и компьютерное моделирование.

2. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

Методы научных исследований

Для решения электромагшпной задачи в диссертационной работе использовался программный пакет ANSYS, основанный на методе конечных элементов численного моделирования. Разработка программы для формирования расчётного файла математической модели в ANSYS осуществлялась в среде Delphi. Для проведения поверочных расчётов был применён программный комплекс Mathcad. Адекватность модели проверялась с использованием экспериментальных данных.

Научная новизна

1. В программном пакете ANSYS разработана трёхмерная математическая модель электромагнитных процессов в индукционных печах с секционирован-

ным холодным тиглем или тепловым экраном, которая позволяет проводить исследования с количественной оценкой по влиянию параметров секций (число, материал и профиль) на электромагнитные потери.

2. С помощью модели исследовано влияние геометрических и электрофизических параметров тигля (экрана) на энергетические показатели печей. Предложен алгоритм по подбору числа секций, определена область эффективного применения разреза (уменьшение электромагнитных потерь в 2,5-5 и более раз): медные секции - стенка 4 мм (стандартный арочный профиль) для частота 50-500 Гц, стенка 1-2 мм для частот от 50-2400 Гц; секции из нержавеющей стали при толщине стенки 1-4 мм для частот 0,05-10 кГц.

3. Разработана методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном позволяет подбирать параметры секций (число, материал и профиль) таким образом, чтобы уменьшить электромагнитные потери в них в 2,5-5 и более раз в зависимости от диаметра тигля (экрана) и рабочей частоты. В результате энергетические показатели этих печей могут быть существенно улучшены и, следовательно, уменьшен расход охлаждающей воды.

2. Разработана программа DateForA в среде Delphi для формирования расчётного файла трёхмерной математической модели исследуемых печей. Программа имеет простой и удобный интерфейс, освобождает пользователя от профессионального знания ANSYS, что позволяет легко встроить разработанную методику в процесс проектирования этих печей.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается применением современных средств численного моделирования электромагнитных задач в пакете ANSYS, а также путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физической модели холодного тигля.

Реализация результатов работы

Разработанная методика будет использоваться в организации ООО "Энер-готерм-Проекг" (г. Москва) при проектировании индукционных печей с холодным тиглем для вакуумной плавки различных металлов (титан, никель др.) и

модернизированной открытой индукционной тигельной печи с тепловым экраном ёмкостью 160 кг по стали.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная трёхмерная математическая модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе АИБУБ.

2. Результаты исследований параметров модели (шагов разбиения на расчётные элементы, согласование между собой и границ областей) и рекомендации по работе с ней, проверка адекватности.

3. Результаты исследований с помощью модели влияния геометрических и электрических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей, рекомендации по подбору этих параметров.

4. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на 8-ой. Международной научно-практической интернет-конференции " Энерго- и ресурсосбережение XXI век" (Орёл, 2010 г.); 14-ой Международной конференции по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Алушта, 2012 г.); Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2011-2013 гг.).

Работа обсуждалась на заседании кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ" (2013 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объём диссертации

Диссертация изложена на 123-х страницах, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения на 25 страницах и списка использованной литературы из 82-х наименований. В работе представлены 14 таблиц и 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, показаны научная новизна и практическая ценность её результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведено описание объекта исследования -индукционных печей с холодным тиглем (рис. 1а) и с керамическим тиглем с защитным тепловым экраном (рис. 16). Дана справка об их конструкциях, проводимых технологических процессах, характеристиках, особенностях работы и методах расчёта, сформулированы задачи диссертационной работы.

а) б)

Рис. 1. Индукционные печи с холодным тиглем (а) и с керамическим тиглем с тепловым экраном (б): 1 - индукгор; 2 - расплав; 3 - холодный тигель; 4 - тепловой экран; 5 - поддон;

б - керамический тигель

Благодаря сочетанию в ИПХТ холодной металлической поверхности тигля, периферийного индукционного нагрева и электромагнитного отжатая расплава эти печи обладают следующими особенностями плавки:

• Отсутствие загрязнения расплава материалом тигля.

• Интенсивное электромагнитное перемешивание расплава.

• Плавка шихтовых материалов любой формы (куски, порошок и др.).

• Управление формой фронта кристаллизации и структурой затвердевающего слитка.

• Работа в любой контролируемой атмосфере и при любом давлении.

Эти особенности определили области применения ИПХТ: рафинировочная плавка химически активных и тугоплавких металлов (цирконий, титан, никель, жаропрочная сталь и др.); выплавка сложнолегированных сплавов (лигатуры титан-алюминий, титан-никель, цирконий-алюминий и др.); переплав оксидных материалов (металлотермическое восстановление металлов из их соединений, получение высококачественных монокристаллов, варка тугоплавкого стекла) и полупроводников (получение мультикристаллического кремния) и др.

ХТ и ТЭ находятся в области действия поля индуктора и для уменьшения электромагнитных потерь выполняются обычно из меди или нержавеющей стали в виде набора электрически изолированных друг от друга водоохлаждаемых секций. Энергетическая эффективность таких печей весьма низкая (электрический к.п.д., как правило, не превышает 0,3). Электромагнитные потери в ХТ и ТЭ могут быть существенно снижены путём выполнения заполненного электроизоляционным материалом вертикального разреза на наружных стенках секций (рис. 2).

Такая конструкция секций была предложена и опробована во ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО). Эксперимент показал, что при толщине стенки секции ХТ менее 2-х глубин проникновения вертикальный разрез снижал электромагнитные потери в 2-3 раза, и, наоборот, увеличивал минимум в два раза при толщине более 2-х глубин проникновения электромагнитной волны.

Расчёт основных характеристик ИПХТ и ИТП без ТЭ проводится с использованием электрической схемы замещения по общему магнитному потоку. Например, разработанная во ВНИИЭТО методика расчёта ИПХТ учитывает взаимосвязанные тепловые, электромагнитные и гидродинамические процессы, включает расчёт водоохлаждения индуктора и ХТ. Однако она не может учесть наличие разрезов в секциях тигля. Существующие методики расчёта ИТП также позволяют проводить все основные расчёты печи: тепловой, электрический, короткой сети и конденсаторной батареи, водохлаждения индуктора. Но учёт

ТЭ в них не возможен.

Исходя из особенностей объекта исследования (секционированный тигель и экран с разрезными секциями) дяя решения рассматриваемых электромагнитных задач наиболее эффективным является компьютерное трёхмерное моделирование с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

Во второй главе проведён анализ средств компьютерного моделирования для решения электромагнитных задач и дано краткое описание выбранного программного пакета ЖЖ Описана разработанная трёхмерная математическая модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем

ного тигля: 1 - секция, 2 - вертикальный разрез, 3 - полость для охлаждения; 4 - расплав

тромагнитная задача.

2. Модель состоит из проводящих областей (загрузка - поз. 6, ХТ (или ТЭ) - поз. 4), условного индуктора

(или экраном). Приведены результаты исследований по настройке модели и проверка её адекватности.

Установлено, что для решения поставленных задач расчёта электромагнитного поля может быть эффективно использован программный пакет ААЪУЗ. Пакет основан на МКЭ, параметры магнитного поля определяются через выражение связи магнитной индукции В с векторным магнитным потенциалом X:

В = гогА (1)

. ЛАйУЛ' позволяет моделировать трёхмерные задачи, в нём можно решать взаимосвязанные электрическую и тепловую задачи, моделировать фазный переход, что может быть использовано для дальнейшего развития модели. Однако, пакет имеет непростой интерфейс, большое количество настраиваемых параметров, что затрудняет работу с ним.

На кафедре ФЭМАЭК "МЭИ" (ТУ) была разработана в пакете АЫБУБ трёхмерная математическая модель экспериментальной электропечи ИАТ-0,4 с ТЭ, в которой рассматривалась только одна секция экрана с вертикальным разрезом и без него. Результаты компьютерного и физического моделирования отличались не более, чем на 20%. Эта модель была взята за основу новой разрабатываемой модели индукционной печи с изменяемыми параметрами металлического секционированного тигля (или экрана): число секций ЙГХт> их материал и профиль (равностенный или неравностенный, толщина стенки секции <5сХТ, наличие, высота /гр и ширина 5р разреза).

При разработке трёхмерной математической модели (рис.3) были введены следующие допущения:

1. Решается только элек-

Рис. 3. Эскиз трёхмерной математической модели

(поз. 3) и расчётной непроводящей области. Остальные элементы реальной печи не учитываются.

3. Значения электрофизических параметров проводящих областей модели (удельное электрическое сопротивление и относительная магнитная проницаемость) принимаются соответствующими их рабочей температуре.

4. Загрузка принимается цилиндрической. Учёт концевых эффектов и затухания электромагнитной волны Дэ вглубь загрузки осуществляется путём подбора шага разбиения на конечные элементы (КЭ).

5. В загрузке выделяется наружный слой (поз. 5). В модели ИПХТ он используется для согласования разбиения на КЭ загрузки и ХТ, а в модели ИТП с ТЭ принимается равным толщине боковой стенки керамического тигля.

6. Рассматривается трапецеидальная форма секций (поз. 9), имеющие полости для охлаждения (поз. 7) и разделенные изоляционным промежутком (поз. 8). Каждая секция при моделировании разделена на 4 части: сама секция и состоящий из верхней (поз. 12), средней (поз. 11) и нижней (поз. 10) части вертикальный разрез на её наружной стенке.

7. Индуктор моделируется условно, так как заменяющий его специальный объект программы ANSYS создаёт электромагнитное поле, аналогичное полю реального индуктора, но не имеет своего объёма, т.е. рассчитать электрические потери в нём программа не может.

8. Расчётная непроводящая область разделена на две части. Расчётная область №1 (поз. 2) охватывает индуктор, ХТ (ТЭ) и загрузку. Расчётная область № 2 (поз. 1) - область №1, а её внешняя граница является границей распространения электромагнитного поля условного индуктора (задаётся А = 0). Область №1 разбивается на КЭ с меньшим шагом, чем область №2, благодаря этому время расчёта уменьшается при сохранении точности.

Для настройки модели были проведены исследования по влиянию её параметров на точность и время расчёта на примере ИПХТ с неравностен-ными секциями ХТ без вертикального разреза (рис. 4а: 5сХт = 4 мм, b = 10 мм).

Неизменяемые параметры модели: • индуктор: внутренний диаметр 160 мм, толщина токоведущего слоя 3 мм, высота 120 мм, число витков 6, ток 3500 А, частота 1000 Гц;

^с.ХТ ^с.ХТ

Рис. 4. Профиль секции ХТ: неравностенная без разреза (а) и с разрезом (б); равностенная без разреза (в) и с разрезом (г)

• XT: внутренний диаметр 100 мм, <5cxr = 4 мм, Ъ = 10 мм, наружный диаметр 148 мм, высота 200 мм, К^т — 24, материал - медь;

• загрузка: диаметр 100 мм, высота 100 мм, материал - сталь.

В каждом исследовании менялся только один из параметров. Сравнение результатов проводилось в относительных единицах. Выработаны следующие рекомендации:

• шаг разбиения на КЭ проводящих областей модели (загрузка, ХТ или ТЭ) по радиусу следует задавать кратным (2-3)-м Дэ, а по высоте не более Дэ;

• шаги разбиения на КЭ непроводящих расчётных областей №1 и №2 по радиусу и высоте подбираются при моделировании;

• размеры непроводящей расчётной области №1 (диаметр и высота) следует задавать в 1,5-2, а расчётной области №2 в 3-4 раза больше максимальных размеров проводящих областей модели;

• толщину переходного слоя между загрузкой и ХТ следует задавать равной шагу разбиения загрузки на КЭ по радиусу (для модели ИПХТ) или толщине боковой стенки керамического тигля (для модели ИТП с ТЭ);

• толщину зазора между секциями ХТ (ТЭ) следует задавать (0,2-0,5) мм;

• необходимо моделировать ХТ (ТЭ) с полным набором секций.

Для проверки адекватности модели был повторен физический эксперимент по определению влияния вертикального разреза в секциях ХТ на электромагнитные потери в них. Экспериментальный стенд состоял из индуктора (высота 300 мм, внутренний диаметр 460 мм, ток 1000 А, частота тока 2400 Гц, 10 витков), внутрь которого были помещены отдельные секции ХТ высотой 300 и 520 мм из меди (арочный профиль) и нержавеющей стали (круглая трубка).

Рассматривались секции без вертикального разреза, с разрезом по высоте индуктора (частичный) и по всей высоте секции (сплошной). Загрузки в эксперименте не было, электромагнитные потери измерялись методом калориметри-рования для каждой секции отдельно. При моделировании реальный профиль секций был преобразован к трапецеидальному в соответствии с особенностями модели.

В модели был получен тот же эффект, что и в эксперименте: уменьшение электромагнитных потерь в секции с разрезом при толщине стенки менее 2-х Дэ (секции из нержавеющей стали) и, наоборот, увеличение потерь при толщине более 2-х Дэ (медные секции). Различие результатов расчёта и эксперимента для медных секций в среднем составило примерно 12,5%, а для секций из нержавеющей стали ок. 30%, что связано с особенностями моделирования (преобразование профиля секций к трапецеидальному) и погрешностями при проведе-

нии самого физического эксперимента (например, потери в однотипных секциях из нержавеющей стали в эксперименте отличались между собой на 10-15%, чего не было в модели). Можно сделать положительный вывод об адекватности разработанной трёхмерной математической модели.

В третьей главе описаны проведённые с помощью разработанной математической модели исследования по влиянию геометрических и электрофизических параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ.

Исследования проводились на модели печи, аналогичной рассмотренной в главе 2, с учётом следующих особенностей:

• ХТ: приняты толщина изоляции между секциями 0,5 мм, шаги разбиения на КЭ по радиусу и высоте Дэ,хт/2 =: 1,13 и 10 мм;

• загрузка (расплав): шаги разбиения на КЭ по радиусу и высоте приняты Дэ з/2 = 7,95 и 10 мм, толщина промежуточного слоя мезвду загрузкой и ХТ Дэ.3/2 = 7,95;

• диаметр и высота расчётной области №1 приняты 240 и 300 мм, а шаги разбиения на КЭ по радиусу и высоте по 10 мм;

• диаметр и высота расчётной области №2 приняты 480 и 600 мм, а шаги разбиения на КЭ по радиусу и высоте по 20 мм.

Изменяемые параметры: число секций их материал и профиль (рав-ностенные или неравностенные, толщина стенки 5сХт. наличие, высота Краз. и ширина 5раз разреза).

Сравнение результатов проводилось в относительных единицах.

На практике выбор Кхт осуществляется из соображений передачи в расплав максимальной электромагнитной энергии, отвода тиглем тепловой нагрузки (сильно зависит от расплавляемого материала), обеспечения его механической прочности и технологичности. Поэтому сформировать общих рекомендаций по выбору числа секций с учётом всех этих критериев не представляется возможным.

Проведено исследование по влиянию числа секций ЛГХт на примере ХТ с неравностенными секциями (условный арочный профиль) без вертикального разреза (рис. 4а: 5схт = 4 мм, Ь = 10 мм).

Результаты представлены на рис. 5. За 100% приняты значения для случая отсутствия ХТ (рис. 5а точка Б) и для наибольшего из рассмотренного А"хт для тигля с медными секциями (рис. 5б точка Б).

Аналогичное исследование было проведено для ХТ с равностенными секциями без вертикального разреза, принято 5сХт = 4 мм (рис. 4в). Качественный вид полученных кривых не отличается от рис. 5.

Рис. 5. Зависимость мощности, выделяющейся в загрузке Р3 (а) и ХТ Рхт (б)> от /Схт.

Материал секций медь (кривая 1) и нержавеющая сталь (кривая 2)

Установлено, что с увеличением КХт значение выделяющейся в загрузке мощности Ра сначала быстро растёт, а затем постепенно стабилизируется и становится примерно равным значению для случая отсутствия тигля (уменьшается эффект экранирования холодным тиглем расплава). При этом на распределение Р3 также влияет материал секций. Влияние ЛГхт на выделяющуюся в ХТ мощность Рхт неоднозначно. Так в рассмотренном примере с увеличением Ку^ значение Рхт Для тигля с медными секциями увеличивается, а с секциями из нержавеющей стали, наоборот, уменьшается.

В практике проектирования и эксплуатации ИПХТ считается, что работоспособными являются печи с Кхт > 6.

Проведено исследование по влиянию отношения 5с.хт/Дэ.хт и параметров вертикального разреза в секциях ХТ (/граз и <5раз.)- Так как с увеличением частоты тока индуктора /и уменьшается шаг разбиения на КЭ проводящих областей модели (увеличивается общее количество КЭ и, след., время расчёта), то исследование проводилось при фиксированной /и, изменяемых материале секций и <^с.хт (от 1 До 4 мм). Рассматривался ХТ с Кхг=24 равностенными секциями без вертикального разреза (рис. 4е), с частичным и сплошным разрезом (рис. 4г) при <5раз = 4 мм.

Результаты представлены на рис. 6. За 100% приняты значения для случая отсутствия разреза в секциях ХТ и максимальной из рассмотренных Йс ХТ для каждого из графиков отдельно (точка Б на рисунке).

Рис. 6, Зависимость Р3 и Рхт от отношения Материал секций: медь (а) и

нержавеющая сталь (б). Секции ХТ без, с частичным и сплошным разрезом - кривые 1, 2 и 3

Установлено, что зависимость выделяющейся в ХТ мощности Рхт от от" ношения ЗсХТ/ЛэХТ имеет экстремум в случае отсутствия вертикального разреза, примерно до <5сХТ/ЛэХХ = 0,35 значение Рхт увеличивается, а далее, наоборот, уменьшается. При этом наличие частичного разреза снижает Рхт примерно в 2-2,5 раза, а в случае сплошного разреза в 2,5-5 и более раз (уточняется при моделировании). Примерно с ^с.хт/^э.хт -М наличие разреза любого типа приводит к увеличению ЯХт в 1,5 и более раз.

Полученные значения уточняют результаты физического эксперимента (см. проверку адекватности модели в главе 2).

При увеличении отношения <5с.хт/^э.хт примерно до 0,35 значение выделяющейся в загрузке мощности Р3 как при наличии вертикального разреза в секциях тигля, так и без него уменьшается не более, чем на 10%. При значении ^с.хт/^э.хт > 0,35 на изменение Р3 влияет только разрез: уменьшение на (5-15)% в случае частичного разреза и на (10-20)% в случае сплошного.

Для определения влияния 5раз проведено отдельное исследование на примере ХТ с неравностенными секциями (рис. 4а,б: 5сХт - 4 мм, 6=10 мм).

Установлено, что значение ширины разреза £pa3 почти не сказывается на Рхт и Р3 (отличие не более 5%). На практике 5раз. принимают равной (10-100)% от <5с.хт из соображений обеспечения разрезом размыкания контура вихревых токов в секции и возможностью изготовления.

Полученные результаты справедливы и для ИТП с ТЭ.

Таким образом, выделяющиеся в загрузке Р3 и XT Рхт электромагнитные мощности существенно зависят от числа, материала и профиля его секций.

Рекомендуется предварительно выбирать Кхт по приближённой формуле методики ВНИИЭТО расчёта ИПХТ с последующим уточнением на модели и проверкой охлаждения тигля:

Кхт > (я ■ dXT)/(2 • Др), где (2)

dxr - внутренний диаметр XT (или ТЭ);

Др - глубина проникновения электромагнитной волны в расплав.

Применение сплошного разреза в медных секциях тигля (экрана) позволяет снизить электромагнитный потери в 2,5-5 и более раз при частоте от 50 Гц до 500 Гц (толщина стенки 4 мм - стандартный арочный профиль ) и 2400 Гц (стенка 1-2 мм), а в секциях из нержавеющей стали при частоте 0,05-10 кГц (стенка 1-4 мм). При этом следует учитывать, что использовать нержавеющую сталь в качестве материала секций XT допустимо только для рабочих температур до 1000 °С (например, плавка алюминя) из-за ухудшенного теплоотвода по сравнению с медными секциями и, следовательно, перегрева стенки тигля в области контакта с расплавом.

В четвёртой главе изложена предлагаемая методика расчёта ИПХТ и ИТП с ТЭ со сниженными электромагнитными потерями в тигле и экране, описана разработанная программа DateForA. Приведена апробация методики, указаны возможности применения математической модели.

Для формирования расчётного файла модели в среде Delphi была разработана программа DateForA (рис. 7). Такой подход освобождает пользователя от профессионального знания пакета и требует лишь базовых знаний его интерфейса. Рекомендации по настройки модели (глава 2) были включены в рабочие окна DateForA в виде необходимых пояснений и проверки ввода исходных данных.

Алгоритм предлагаемой методики расчёта ИПХТ: 1. Выбор внутреннего диаметра XT и частоты тока в соответствии с расплавляемым металлом и заданной производительностью печи.

2. Качественная оценка снижения электромагнитных потерь в тигле по результатам проведённых в главе 3 исследований.

3. Проводятся тепловой, электрический и расчёт водоохлаждения исследуемой печи с секциями ХТ без разреза, например, по методике ВНИИЭТО расчёта ИПХТ. Определяются все геометрические и электрические параметры печи.

4. По рассчитанным в п.З параметрам составляется трёхмерная модель в программе ЛЖУХ

5. Проводятся исследования по влиянию Кхт и Яраз на Вл и Рхт.

6. Рассчитываются электромагнитные потери в ХТ при отсутствии (РХТ1) и наличии (Рхт.г) разреза в секциях тигля.

7. Определяется поправочный коэффициент Крэз:

Краз = Рхт. 1/Рхт. 2 (3)

8. Повторяется п.З с учётом разреза в секциях ХТ и уточнённых по п.5 параметров. Количественная оценка влияния разреза осуществляется путём уточнения активного РХт и реактивного Ххт сопротивлений ХТ:

Дхт.ут. = Ру.Т. ' Краз (4)

^ХТ.ут. = ^ХТ. ' Краз (5)

9. Составляется сводная таблица результатов расчёта исследуемой ИПХТ по п.З и п.8. Делается вывод об эффективности применения разрезных секций по снижению установленной мощности источника питания и, следовательно, расхода охлаждающей тигель воды.

ху Оз;-'-слЛ

Пгрзыетры оВ.тастей койеж! }зскпзтрё,чиеркоййодега1 ] Икпукгср (II) ¡ХозоДггай ттгсдь (ХТ) ||Зцгрузха(3)]

Внутренний дыаыехр Охгвн, ы. Высота Кггт,

Слтешекио центров ИII ХТЬп-*т, м...........

' Профиль »ЕЩОГ------------------------

- БысотаЬс.Ш!-...... ..

■ толпяша нар>^кной стоит Ьснар.. аш.

Н

и:

Толщина изоляция между секциями Ьш.с.,

К0Я!Г?«СТЕ0 секций -------------.----------------

Рассматривается: - - Рирел в секциях л полный набор секций ■ Г 1 егкцня : л 2

(РО)|

ширина Ьр.с., >.ш..............

без разреза сплошной разрез г по высоте индуктора

Глубина проникновения >л.ы. волны Ьсх мы-------------]1.Эб

Шаги разбиения по высоте / раяиусу ЬТист ' Мгхг, вш.....¡1.36

Сформирован,

Справки |

Рис. 7. Рабочее окно программы ОШеРогА. Ввод параметров холодного тигля (теплового экрана)

Предполагается применять ТЭ в серийных печах ИТП. геометрические и

электрические параметры которых известны.

Алгоритм методики расчёта ИТП с ТЭ:

1. По результатам проведённых в главе 3 исследований предварительно выбираются параметры экрана: число, профиль и материал секций.

2. Составляется трёхмерная модель в программе АМБУБ.

3. Проводятся исследования по влиянию Ктэ и 5сТЭ/4эХЭ на Р3 и Ртэ с уточнением параметров ТЭ.

4. Рассчитываются электромагнитные потери в экране Ртэ.

5. Проводится уточняющий расчёт энергетического баланса и общего к.п.д. печи с учётом Ртэ путём корректировки следующих величин:

Р —Р

гпол.ут. 7?0б.ут.

= р - р

гр.ут. гт ~ Апол.ут./^сети

(6)

(7)

(8)

р р

- исходная и уточнённая мощность, передаваемая в расплав, Вт;

, - уточнённая полезная мощность, Вт;

1 пол.ут.

Ят - тепловые потери, Вт;

Ясети - мощность, потребляемая от сети, Вт;

Лоб.уг. ~ уточнённый общий к.п.д. печи.

Полученное в результате уточняющего расчёта значение Рпол ут затем прямо или косвенно используется для определения длительности плавки, производительности по расплавлению и перегреву (скорости плавки), удельного расхода электроэнергии.

Для апробации разработанной методики были проведены расчёты на примере печей ИПХТ ёмкостью 440 кг по титану и открытой печи ИСТ-0.16, дополненной ТЭ.

Для ИПХТ внутренний диаметр тигля принят 500 мм, а частота 500 Гц. Подобраны 54 неравно-стенные медные секции со сплошным разрезом (рис. 8).

Расчёт показал, что электромагнитные потери

в тигле с учётом разреза были уменьшены на 52,9%

(315,2 кВт), в результате чего реактивная мощность

конденсаторной батареи снижена на 9,6% ^с. 8. Поперечное сечение

, ^ секции ХТ печи ИПХТ

(760 кВАр), расчётная мощность источника питания ёмкостью 400 кг по титану

на 15,7% (470 кВт), а расход охлаждающей тигель воды на 23,3% (31,2 м3/ч).

Для печи ИСТ-0,16 был подобран ТЭ с равно-стенными медными секциями со сплошным разрезом (рис. 9). Электромагнитные потери в экране по расчёту составили 8,4 кВт. В результате при неизменной мощности источника питания 160 кВт полезная мощность Рпол была незначительно снижена на 12% (9,6 кВт), а электрический и общий к.п.д. печи на 7,2 и 12,1%.

Возможность проведения расчёта в разработанной математической модели на обычном персональном компьютере зависит от общего числа КЭ, т.е. геометрией исследуемой печи и /и (Дэ). Как показали проведённые исследования (глава 3), применение разреза в секциях ХТ (ТЭ) эффективно только для частот 0,05-10 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников), что успешно решается в модели. Время счёта составляет от 10 минут до нескольких часов в зависимости от параметров печи. Для исследования технологических процессов с частотой больше 10 кГц (плавка оксидов) модель не может быть использована в силу неэффективности разреза и ограниченных возможностей персонального компьютера.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

В приложении представлен листинг кода разработанной программы ОМеРогА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основе проведённого анализа индукционных печей с металлическим секционированным тиглем и экраном установлено, что путём подбора числа, материала и профиля (толщина стенки и наличие вертикального разреза на её наружной поверхности) секций можно существенно улучшить их энергетические показатели и, следовательно, уменьшить расход охлаждающей воды.

2. В программном пакете АЫБУБ разработана трёхмерная математическая модель индукционной печи с холодным тиглем или тепловым экраном, позволяющая исследовать и количественно оценить влияние его параметров на электромагнитные потери. Модель учитывает конструктивные особенности реального тигля или экрана (секционирование, наличие разреза).

ч — р1 ш г / .г- -I

21

1,2

Рис. 9. Поперечное сечение секции ТЭ печи ИСТ-0,16

3. Проведены исследования и выработаны рекомендации по подбору параметров модели (шагов разбиения на конечные элементы, согласования между собой и границ расчётных областей), позволяющих повысить точность расчёта и сократить его время. Доказана адекватность модели путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физической модели холодного тигля.

4. По результатам проведённого на модели исследования установлено, что на электромагнитные потери в холодном тигле (тепловом экране) помимо материала влияет число секций причём неоднозначно: с увеличением числа медных секций потери растут и, наоборот, уменьшаются для секций из нержавеющей стали.

5. С помощью модели проведено исследование эффективности разреза в секциях тигля (экрана). Получена зависимость электромагнитных потерь в тигле (экране) от геометрии секций и частоты. Установлено, что сплошной разрез уменьшает эти потери в 2,5-5 и более раз в медных секциях при частоте от 50 Гц до 500 Гц (толщина стенки 4 мм - стандартный арочный профиль) и 2400 Гц (стенка 1-2 мм), а в секциях из нержавеющей стали при частоте 0,05-10 кГц (стенка 1-4 мм).

6. Разработанная на основе проведённых исследований методика расчёта была опробована на двух печах: ИПХТ ёмкостью 440 кг по титану - расчётная мощность источника питания снижена на 15,7% (470 кВт), расход охлаждающей тигель воды на 23,3% (31,2 м3/ч); ИСТ-0.16, дополненной ТЭ - полезная мощность незначительно снижена на 12% (9,6 кВт), а электрический и общий к.п.д. на 7,2% и 12,1%.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих публикациях:

1. А.Б. Кувалдин, С.А. Васильев. Исследование электрических потерь в холодном тигле индукционной печи с использованием трёхмерного моделирования. Индукционный нагрев, №21,2012. С. 16-21.

2. Васильев С.А. Моделирование индукционных систем с наружными и внутренними электропроводящими экранами. // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Сб. материалов VIII Междунар. научн.-пракгач. интернет-конференции. Орёл, 2010. - С. 44.

3. Васильев С.А. Моделирование индукционных систем с электропроводящими секционированными тиглями. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. ХУЛ Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 182 - 183.

4. Васильев С.А. Инженерный расчёт индукционных систем с электропроводящими экранами. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 345.

5. Васильев С.А., Кувалдин А.Б. Электромагнитный расчёт индукционных печей с электропроводящими секционированными тиглями и экранами. // 14-ая Международная конференция по вопросам электромеханики, элекгротехно-логии, электротехнических материалов и компонентов. - Алушта. - Крым. -Украина. - 2012. 23 - 29 Сентября. С. 310 - 312.

6. Васильев С.А. Исследование параметров индукционных печей с холодным ' тиглем. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XIX Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С. 293.

Подписано в печатьЬЬ,ОА-$£>№ Зак. с^// Тир. Л00 П.л. <1'.Яб Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"МЭИ"

На правах рукописи ВАСИЛЬЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

04201358017

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ И ТЕПЛОВЫМ ЭКРАНОМ СО СНИЖЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., профессор

Кувалдин А.Б.

Москва, 2013

Аннотация

В диссертационной работе проведён анализ конструкций, технологических процессов, особенностей работы и методов расчёта индукционных печей с металлическим секционированным холодным тиглем. Отмечена возможность применения такого тигля в качестве защитного теплового экрана в индукционных печах с керамическим тиглем. Подробно рассмотрена проблема низкого электрического к.п.д. этих печей из-за высокого значения электромагнитных потерь в металлическом тигле (экране) и снижение этих потерь за счёт выполнения секций с вертикальным разрезом. Разработана трёхмерная математическая модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программном пакете ANSYS, проведена настройка модели и проверка её адекватности. Разработана программа DateForA в среде Delphi для формирования расчётного файла модели и тем самым упрощения работы пользователя с ней. С помощью разработанной модели проведены исследования по влиянию геометрических и электрофизических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей, выработаны рекомендации по подбору этих параметров с целью снижения электромагнитных потерь в тигле. На основе полученных результатов разработана методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями, проведена апробация методики. Описаны возможности применения и дальнейшего развития модели.

Оглавление

Введение......................................................................................................................5

Глава 1. Литературный обзор индукционных печей с металлическим

тиглем (экраном)..........................................................................................................8

1.1. Конструкции, технологические процессы и характеристики индукционных печей с холодным тиглем.......................................................8

1.2. Индукционная печь с керамическим тиглем и защитным

тепловым экраном...........................................................................................17

1.3. Особенности работы индукционных печей с холодным тиглем

1.4. и тепловым экраном........................................................................................19

1.5. Существующие методы расчёта ИПХТ и ИТП............................................24

1.6. Задачи диссертационной работы...................................................................33

Глава 2. Разработка и исследование трёхмерной математической модели

индукционных печей с металлическим секционированным тиглем

(или экраном).............................................................................................................38

2.1. Постановка задачи...........................................................................................38

2.2. Выбор средства компьютерного моделирования. Общие особенности программного пакета АЫБУБ..........................................................................38

2.3. Математическая модель индукционных печей с металлическим секционированным тиглем (или экраном)....................................................40

2.3.1. Принятые допущения и особенности моделирования.................................40

2.3.2. Алгоритм решения стационарной электромагнитной задачи в А№У8.....43

2.4. Исследование математической модели.........................................................45

2.4.1. Влияние шага разбиения на КЭ по радиусу и высоте проводящих областей модели..............................................................................................48

2.4.2. Влияние шага разбиения на КЭ и размеров непроводящих

областей модели..............................................................................................51

2.4.3. Влияние толщины переходного слоя между загрузкой и ХТ (ТЭ)............55

2.4.4. Влияние толщины изоляции между секциями ХТ (ТЭ)..............................56

2.4.5. Взаимодействие секций ХТ (ТЭ)...................................................................57

2.5. Проверка адекватности математической модели.........................................57

2.6. Выводы по главе..............................................................................................63

Глава 3. Исследование влияния геометрических и электрофизических параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ...................................64

3.1. Постановка задача...........................................................................................64

3.2. Влияние числа секций ХТ..............................................................................65

3.3. Влияние материала и профиля секций ХТ....................................................68

3.4. Выводы по главе..............................................................................................73

Глава 4. Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.................74

4.1. Постановка задачи...........................................................................................74

4.2. Программа ВШеРогА.......................................................................................74

4.3. Алгоритм методики.........................................................................................77

4.4. Апробация разработанной методики.............................................................80

4.5. Возможности применения и развития...........................................................84

4.6. Выводы по главе..............................................................................................84

Заключение...............................................................................................................86

Список литературы.................................................................................................88

Приложение..............................................................................................................98

Введение

Проведение прецизионных и высокотемпературных технологических процессов с различными материалами, в том числе тугоплавкими, радиоактивными и полупроводниковыми, с получением конечного продукта высокого качества за один переплав успешно реализуется в индукционных печах с так называемым холодным тиглем (ХТ). Это достигается благодаря сочетанию особенностей плавки (отжатие от стенок тигля и циркуляция расплава) и исключением загрязнения расплава материалом металлического секционированного во-доохлаждаемого тигля. Такие печи применяются в авиакосмической, автомобильной, химической, электронной и других отраслях промышленности. Диапазон их технических характеристик весьма широкий: рабочая температура до 3000 °С; внутренний диаметр тигля 60-600 мм; частота 0,05-30 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников) и 0,5-10 МГц (плавка оксидных материалов); потребляемая мощность 60-2000 кВт и более; производительность и удельный расход электроэнергии зависят от технологического процесса и расплавляемого материала.

Холодный тигель также может использоваться в индукционных печах с керамическим тиглем в качестве защитного теплового экрана (ТЭ). Такой экран размещается между тиглем и индуктором, защищая последний от возможного прохода расплава через керамический тигель при его повреждении и тем самым значительно повышая надёжность печи.

Печи с керамическим тиглем широко используются для плавки чёрных и цветных металлов: рабочая температура до 1700 °С, ёмкость тигля 60-2500 кг, частота 0,05-10 кГц, потребляемая мощность 100-1600 кВт.

Распространение индукционных печей с ХТ (ТЭ) сдерживается дополнительными электромагнитными потерями в этих элементах (до 40% подводимой к индуктору мощности) и, следовательно, большим расходом охлаждающей их воды (не менее 0,25 л/с на секцию).

В связи с этим задача разработки методики проектирования индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) и тепловым экраном (ИТП с ТЭ) с улучшенными за счёт подбора параметров секций тигля или экрана энергетическими показателями и, следовательно, уменьшенным расходом охлаждающей воды является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта индукционных печей с металлическим секционированным водоохлаждаемым тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В программном пакете АЫЗУБ разработана трёхмерная математическая модель электромагнитных процессов в индукционных печах с секционированным холодным тиглем или тепловым экраном, которая позволяет проводить исследования с количественной оценкой по влиянию параметров секций (число, материал и профиль) на электромагнитные потери.

2. С помощью модели исследовано влияние геометрических и электрофизических параметров тигля (экрана) на энергетические показатели печей. Предложен алгоритм по подбору числа секций, определена область эффективного применения разреза (уменьшение электромагнитных потерь в 2,5-5 и более раз): медные секции - стенка 4 мм (стандартный арочный профиль) для частот 50-500 Гц, стенка 1-2 мм для частот от 50-2400 Гц; секции из нержавеющей стали при толщине стенки мм для частот 0,05-10 кГц.

3. Разработана методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем: 1. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном позволяет подбирать параметры секций (число, материал и профиль) таким образом, чтобы уменьшить электромагнитные потери в них в 2,5-5 и более раз в зависимости от диаметра тигля (экрана) и рабочей частоты. В результате энергетические показатели этих печей могут быть су-

щественно улучшены и, следовательно, уменьшен расход охлаждающей воды.

2. Разработана программа DateForA в среде Delphi для формирования расчётного файла трёхмерной математической модели исследуемых печей. Программа имеет простой и удобный интерфейс, освобождает пользователя от профессионального знания ANSYS, что позволяет легко встроить разработанную методику в процесс проектирования этих печей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Разработанная трёхмерная математическая модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми параметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.

2. Результаты исследований параметров модели (шагов разбиения на расчётные элементы, согласование между собой и границ областей) и рекомендации по работе с ней, проверка адекватности.

3. Результаты исследований с помощью модели влияния геометрических и электрических параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей, рекомендации по подбору этих параметров.

4. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Глава 1. Литературный обзор индукционных печей с металлическим

тиглем (экраном)

1.1. Конструкции, технологические процессы и характеристики индукционных печей с холодным тиглем

Диктуемое потребностями общества постоянное развитие промышленности невозможно без развития техники. Это в свою очередь связано с потребностью в высококачественном металле, а также с ростом потребления сплавов, предназначенных для работы в особых условиях (при высоких температурах, больших напряжениях, в агрессивных средах), т.е. сплавов высокой чистоты, сплавов на основе химически активных и тугоплавких металлов. Поэтому постоянно идёт совершенствование методов плавки и разработка плавильных электропечей наиболее эффективной конструкции.

Для плавильных индукционных печей с керамическим тиглем (ИТП) проблема чистоты технологического процесса (незагрязняющая плавка металлов) занимает особое место. Как известно, в ИТП основными источниками загрязнения при плавке металлов (помимо примесей, которые могут поступать с вводимыми в печь материалами) являются реакции компонентов расплава с материалами тигля (непроводящей плавильной ёмкостью) и атмосферой печи, реакции в печи между компонентами вводимых материалов и механическое размывание тигля. Некоторые из этих загрязнений можно легко предотвратить. Так реакции с атмосферой исключают герметизацией печи и обеспечением соответствующего вакуума или контролируемой атмосферы. Нежелательные взаимодействия между компонентами вводимых материалов можно уменьшить, например, путём рационального выбора последовательности их введения в печь и другими технологическими приёмами. Значительно труднее устранить загрязнения, связанные с контактом расплава с тиглем, особенно при плавке химически активных и тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, ниобий, цирконий, титан и др., а также сплавов на их основе. Это делает реализацию некото-

рых плавильных процессов в индукционных печах традиционной конструкции практически невозможной [1-3].

Относительно просто реализуется переплав без загрязнения стержневой заготовки, конец которой оплавляют в индукторе [4], либо электронным пучком, плазменным факелом или электрической дугой [5]. Однако такой переплав в принципе можно использовать только для вакуумного рафинирования металла, для формирования слитка с заданной кристаллической структурой или заданным сечением, либо для заливки форм заранее приготовленным сплавом. Для приготовления же сплава, состоящего из нескольких компонентов, и для выравнивания химического состава желательно единовременное поддержание в жидком состоянии всей массы получаемого расплава.

Выход был найден в плавлении металла в корочке из того же материала, образующейся за счёт прилегания его наружной поверхности к охлаждаемому тиглю (так называемый гарнисаж).

Известны две схемы индукционной гарнисажной плавки (предложены в 1954 - 1957 гг. М.П. Глухановым и A.A. Фогелем с соавторами [6]), различающиеся местом введения энергии: через открытое зеркало ванны, минуя гарнисаж, или, наоборот, сквозь гарнисаж. В последнем случае используют для введения энергии боковую поверхность садки, что обеспечивает всестороннее поступление тепла и хорошую магнитную связь индуктора с садкой. Принципиальные компоновки печей, соответствующие этим двум схемам плавки, приведены на рис. 1.1.1.

Достоинством первой из названных схем является отсутствие электрических потерь в гарнисаже. Однако по своей тепловой и технологической схеме она не отличается от схем других видов гарнисажной плавки с верхним вводом тепла (дуговой, электронно-лучевой, плазменной и др.). В то же время в силу худшего электрического КПД, усугубляемого плохой магнитной связью торцевого индуктора с садкой, этот метод плавки не находит практического применения.

а)

б)

Рис. 1.1.1. Схемы индукционной гарнисажной плавки а) с верхним индуктором; б) с охватывающим индуктором. 1 - индуктор;

2 - расплав; 3 - гарнисаж; 4 - охлаждаемая поверхность гарнисажа

При введении энергии через боковой гарнисаж, наоборот, проявляются достоинства, присущие индукционной плавке - равномерность температурного поля по высоте расплава и отсутствие перегрева верхней его поверхности, что в ряде случаев может быть определяющим фактором в выборе способа плавки.

В схеме индукционной гарнисажной плавки металла с введением энергии через боковой гарнисаж предусматривалось создание внутри цилиндрического индуктора или охлаждаемого им тигля слоя гарнисажа из порошка переплавляемого металла. В процессе плавки наружные слои порошка, охлаждаемые благодаря соприкосновению с относительно холодным индуктором или тиглем, не спекаются, остаются мало электро- и теплопроводными и выполняют функцию футеровки.

М.Г. Коган обосновал возможность индукционной плавки металла с введением энергии через боковую поверхность садки при монолитном металлическом гарнисаже, обладающем электропроводностью и теплопроводностью, не меньшими, чем расплав [7]. Такой процесс возможен благодаря глубинному выделению тепла в поверхностном слое садки при индукционном нагреве. В силу наличия теплового потока потерь, направленного сквозь поверхность сад-

ки наружу, температура этой поверхности оказывается ниже максимального значения температуры внутри металла.

Распределение температуры по сечению садки зависит как от глубины проникновения электромагнитной волны Доопределяющей распределение внутренних источников тепла), так и от соотношения тепловых потоков наружу (тепловые потери) и внутрь садки (полезное тепло).

Гарнисажные печи сыграли большую роль в развитии современной металлургии ряда химически активных и тугоплавких металлов, в частности титана. Однако они не смогли полностью решить задачу получения сплавов без загрязнений. Дело в том, что в ряде случаев после нескольких плавок химический состав гарнисажа заметно менялся. Кроме того, в него внедряются примеси, взвешенные в расплаве, а в случае удержания гарнисажа в охлаждаемом снаружи графитовом тигле (что во многих случаях необходимо для обеспечения нужного теплового баланса) — также и за счёт контакта гарнисажа с графитом. В дальнейшем благодаря массообмену между расплавом и гарнисажем загрязнённость последнего может сказаться на качестве металла последующих плавок. При плазменном нагреве про