棒材锻前感应加热数值模拟及电热特性分析

摘要

感应加热是利用工件中涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，广泛地应用于钢坯锻造生产中。如果坯料心表温差太大，会造成坯料内产生附加应力或组织不均匀，甚至产生裂纹，影响材料的成形工艺和质量。如何精确控制输入功率、加热时间、合理优化设备结构及操作参数，使之在满足加热工件各项性能要求的基础上，有效地提高产品质量、加热效率、节约资源具有重要的意义。
　　本文根据感应加热原理，针对中频感应锻造炉加热特点，利用ANSYS有限元软件，确定了电磁场、温度场的数学模型，并确定了求解的边界条件;根据模拟计算结果，分析了电磁场、温度场随加热时间的分布规律，涡流功率密度随加热温度及加热时间的变化规律;其次根据金属加热理论，可以计算出金属加热进入正规期后，加热时间与表面温度的函数关系，以此验证所建模型是正确的。
　　利用所建模型，选取不同规格的棒材进行感应加热模拟，对其加热特性进行了研究。首先，研究了棒材直径、频率变化时，对电效率、热效率及电热效率的影响关系，得到了在同一感应器中加热不同规格的棒材所应选择的最佳频率;其次，研究了棒材直径、输入功率变化时，对电效率、热效率及电热效率的影响关系，得到了在满足断面温差的条件下所应输入的最大功率;第三，研究了在满足断面温差的情况下，电效率、热效率、电热效率随时间的变化关系，得到了合理制定加热制度的依据。
　　本文给出了带有炉衬的棒材感应加热设备的数学模型，通过数值模拟，分析了感应加热的电热特性，为实际生产精确控制锻件断面温度分布、提高产品质量、降低电耗提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钢坯锻前加热概述

1．2 感应加热技术发展状况

1．2．1 感应加热技术现状及发展趋势

1．2．2 感应加热数值模拟的发展

1．3 选题的背景和意义

1．4 课题研究主要内容

1．5 本章小结

第2章 感应加热数值计算基础

2．1 感应加热基本原理

2．1．1 电磁感应与涡流发热

2．1．2 集肤效应与电流穿透深度

2．1．3 邻近效应和圆环效应

2．1．4 透入式加热和传导式加热

2．2 电磁场有限元模型

2．2．1 Maxwell方程组的微分形式

2．2．2 边界条件

2．2．3 ANSYS软件中的电磁场分析

2．3 感应加热温度场数学模型

2．3．1 含内热源的Fourier导热微分方程

2．3．2 初始条件和边界条件

2．3．3 ANSYS软件中的热分析

2．4 ANSYS中耦合场分析

2．5 本章小结

第3章 感应加热磁—热耦合的ANSYS计算

3．1 ANSYS软件典型的有限元分析过程

3．2 模拟过程中几个关键问题的处理

3．2．1 模拟计算中材料非线性问题的处理

3．2．2 激励电流加载的处理

3．2．3 加热过程中换热边界的处理

3．3 感应加热计算模型的建立

3．3．1 问题的描述与假设

3．3．2 边界条件

3．3．3 分析单元

3．3．4 网格划分

3．4 电磁—热耦合循环计算的实现

3．5 模拟计算实例

3．5．1 工艺参数

3．5．2 计算参数

3．5．3 模拟结果分析

3．5．4 温度分布的验证

3．6 本章小结

第4章 棒材锻前感应加热电热特性分析

4．1 感应加热的效率

4．2 频率对加热效率的影响

4．3 电流密度对加热效率的影响

4．4 加热效率随时间的变化

4．5 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文