熔锌工频有芯感应炉电磁场和温度场的数值仿真研究

摘要

工频有芯感应电炉是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热物料的热工设备，感应加热具有升温速度快、金属烧损少、产品质量好、低污染等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。然而随着感应电炉向高功率、大容量方向发展，感应体的使用寿命缩短、使用及维护费用增加，因此，如何优化感应炉熔沟的结构设计，提高感应体的使用寿命成为亟待解决的新课题。 基于感应加热的原理及特点，本论文采用理论分析-数值仿真-测试验证相结合的方法，以ANSYS软件为主要工具，采用有限元方法对熔锌工频有芯感应炉的电磁场、温度场进行仿真计算，并分析各物理量的分布特点及其对感应体性能的影响。 本论文主要完成了以下工作： （1）通过大量阅读国内外相关文献，对感应加热技术的发展及其在工业生产中的应用进行了概括，总结了国内外学者在感应加热数值仿真方面所做的研究工作。 （2）在对感应加热原理研究的基础上，分析集肤效应、邻近效应与圆环效应对感应加热的影响，并对感应电流的分布规律进行研究，同时根据喷流型大功率熔锌有芯感应炉的设备组成分析其工作特性。 （3）基于电磁场理论，建立熔锌有芯感应炉电磁场、温度场以及流场的数学模型，并分析电磁场、温度场以及耦合场的数值计算方法。 （4）根据喷流型熔锌有芯感应炉，建立感应体仿真模型，用ANSYS软件对感应体电磁场、温度场的基本参数进行数值仿真，得到感应体的电磁场、温度场分布规律，并对影响感应体性能的主要因素进行分析。 （5）对感应炉进行理论计算和热态测试，结果表明，数值仿真结果与理论计算、测试结果基本一致，证明了数值仿真方法的正确性与实用性，从而为熔锌感应炉的生产运行和优化设计提供参考。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章文献综述

1.1感应加热概述

1.2感应加热数值仿真的发展现状及动态

1.3课题的基本情况

1.3.1课题的来源

1.3.2课题的研究方法与内容

1.4本章小结

第二章熔锌有芯感应电炉的工作原理及其设备组成

2.1概述

2.2熔锌有芯感应炉工作原理

2.2.1感应加热原理

2.2.2感应电流的分布

2.3熔锌感应电炉的设备组成与技术特征

2.3.1熔锌有芯感应电炉结构

2.3.2技术特征

2.3.3 45t熔锌有芯感应电炉主要技术参数

2.4感应加热的优点

2.5本章小节

第三章熔锌有芯感应炉数学模型的建立

3.1电磁场数学模型

3.1.1安培环路定律

3.1.2法拉第电磁感应定律

3.1.3高斯电通定律

3.1.4高斯磁通定律

3.1.5 Maxwell方程组的微分形式

3.2温度场数学模型

3.2.1欧姆定律和焦耳定律

3.2.2感应加热过程中的热量传输

3.3熔体流场数学模型

3.3.1控制方程

3.3.2电磁压缩力

3.4电磁场数值计算方法

3.4.1有限差分法

3.4.2积分方程法

3.4.3边界元法

3.4.4有限元法

3.5本章小节

第四章熔锌有芯感应电炉数值仿真

4.1 ANSYS软件简介

4.1.1 ANSYS软件中的电磁场分析

4.1.2 ANSYS软件中的热分析

4.1.3 ANSYS软件中的耦合场分析

4.2电磁场仿真计算流程图

4.3仿真物理模型的建立

4.3.1仿真物理模型

4.3.2电磁场仿真物性参数和单元类型条件

4.3.3网格划分

4.3.4边界条件的设置

4.3.5源电流加载

4.3.6模型的收敛性

4.4仿真结果与分析

4.4.1磁感应强度B和磁场强度H的分布

4.4.2感应体涡流、焦耳热的分布

4.4.3熔沟温度分布

4.5本章小节

第五章仿真结果验证与参数优化

5.1电计算校核

5.1.1已知参数

5.1.2线圈电流和熔沟涡流

5.1.3系统阻抗和功率因数

5.1.4熔沟吸收功率和焦耳热功率

5.1.5电计算校核和仿真结果对比

5.2仿真与实验结果对比

5.3感应体仿真与参数优化

5.3.1线圈绕制方式

5.3.2线圈高度

5.3.3物料电阻率

5.3.4铁芯相对磁导率

5.3.5电源频率

5.4本章小节

第六章结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要科研成果