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钢棒生产线感应加热过程的数值模拟及实验研究

赵前哲  
【摘要】:随着能源、原材料、人工成本等生产费用的持续增长,以及越来越激烈的市场竞争,推行绿色制造技术,提高生产效率和电能转换效率,降低能耗水平和生产运行成本,成为社会和企业广泛关注的热点和努力追求的目标。而正是由于感应加热技术具有高效节能、无污染等优点,因此被广泛应用于高强度预应力钢棒的生产。目前国内高强度预应力钢棒热处理生产线至少在300条以上,生产线中感应加热系统不仅是关键工艺流程和设备,而且也是整条生产线中投资最大和能源消耗最多的设备。但目前大部分生产线的感应加热系统,尚未摆脱粗放型的设计和运行状态,主要表现在以下两个方面: 1)国内现有生产线的感应加热系统的设计,主要以等效电路模型、经验公式和试验修正方法为基础,计算模型过于简化,只能粗略估算电源功率、阻抗和功率因数等系统宏观电气参数,无法对加热工件内部涡流、电磁场、温度场等进行准确分析。根据这种设计方法,现有生产线感应加热系统的淬火加热段由三台感应加热炉组成,能耗水平、生产效率及占地面积都落后于国外生产线。 2)由于设计计算过程中引入了大量经验修正系数,使得计算结果和实际值之间有较大的误差,为了确定最终的生产运行工艺参数和电气参数,现有生产线的感应加热系统正式投产前,还需要通过大量的试验调试工作,浪费了大量的人力和物力。 针对上述问题,本文首先以麦克斯韦方程、传热学微分方程为理论基础,研究并选择适合于感应加热过程的数值计算方法,建立了针对于高强度预应力钢棒的铁磁性材料性能数学模型。在所建立的材料性能模型中,不仅考虑了温度升高所引起的材料物理性能的变化,而且还考虑了加热过程中磁场强度变化对磁导率的影响。同时,搭建了铁磁性圆棒料的感应加热实验和测量研究平台,测量了感应加热过程中铁磁性棒料的表面温度、加热频率、加热功率等参数的变化曲线。实验测量结果与数值计算结果的对比分析表明,二者非常吻合,验证了本文所选用的计算方法和材料物理性能模型的准确性、可靠性。 其次,基于非线性铁磁性材料的材料物理性能模型和有限元方法,建立了高强度预应力钢棒生产线一维轴对称模型,对现有生产线的感应加热过程进行了数值模拟分析。根据数值计算结果提出了影响加热效率和温度均匀性的主要工艺参数和作用机理。分析认为现有生产线中三台淬火感应加热炉的设计存在缺陷,加热频率等工艺参数选择不合理,导致感应加热系统的加热效率低、能耗大。因此,本文提出了采用两台感应加热炉进行淬火段加热的设计方案,给出了优化后的两台感应加热炉的具体工艺参数,并利用所建立的数值模型进行了模拟验证。数值模拟结果表明两台感应加热炉的设计,完全能够满足高强度预应力钢棒的淬火加热要求。 最后,建立了生产线感应加热线圈的二维轴对称几何模型,分析了加热线圈的形状结构参数、加热温度、加热频率和磁场强度,对感应加热线圈-钢棒系统电气参数的影响规律。结合现有生产线的实际工况,对两台淬火段感应加热炉的加热线圈结构参数进行了设计,同时采用电路分析的方法对感应加热系统的电气参数进行了验算,验算结果表明电源的运行参数和所设计的感应加热炉的工艺参数、结构参数之间匹配合理,即所选择的加热工艺参数和加热线圈结构参数能够满足感应加热系统高效、稳定工作的需求。 在上述研究的基础上,开发出一套完整的高强度预应力钢棒生产线感应加热系统计算机辅助设计方法及流程,并应用于新生产线感应加热系统的设计。新设计的感应加热系统运行数据与原有生产线相比,可节约16%的加热功率,达到了提高加热效率、减少能源消耗、降低生产成本的目的,取得了良好的社会效益和经济收益。


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