感应加热温度场的数值模拟.pdf

江南大学
硕士学位论文
感应加热温度场的数值模拟
姓名：张月红
申请学位级别：硕士
专业：电力电子与电力传动
指导教师：沈锦飞
20080601
要捅本文主要研究感应加热器内被加热钢坯温度分布的数值模拟。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，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置加热过程的参数使之满足被加热工件中各项性能要求是普遍关注的问题。工件的诸多性能指标与热处理过程中的温度分布是密切相关的，然而基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且温度测量成本高，传感器的引入还会影响本来的温度分布。因此，数值模拟技术对于这类系统的设计和研究具有重要意义。本文从感应加热的有关原理和电磁一热耦合场计算的有限元方法着手，以电磁学和传热学为基础，对感应加热电磁场和温度场分布进行了理论推导，给出了电磁场、温度场分布的数学模型及相应的有限元分析模型。其中，电磁场的数学模型由晃鞣ńⅲ电磁场和温度场的有限元离散化方程组由伽辽金加权余量法导出。根据数值模拟的基本理论，本文在比较邢拊H砑辛街竹詈铣》治龇椒ǖ基础上，选择了顺序耦合方法。并对圆柱形号钢样件建立了相应的电磁一热耦合分析的数学、物理有限元模型；对加热过程的温度场分布进行模拟，得到感应加热温度场的分布图。并分析了感应加热参数对模拟结果的影响，得出了一些具有工程借鉴意义的结论，为合理选择加热参数提供理论依据。通过数值模拟的结果与实验测试所得的结果相比较，证明数值数拟的结果达到了工艺上的准确性，可应用于生产实际。关键词：感应加热：温度场；数值模拟；有限元法；坏绱乓蝗锐詈铣摘要
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绪论第一章选题意义发明了第一台感应熔炼炉一开槽式有芯炉，年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热技术丌始进入实用化阶段。年，瑞士和西德丌始利用可控硅半导体器件研制感应以及人工控制的不精确性和随机性，可能就会产生两种不希望出现的情况：一是加热功率过大，加热时间过短。虽然钢坯的表面温度己达到了要求，但钢坯内甚至是一个月左右就不能再用。而轧辊的成本一般都比较高，会给工厂造成较大的损失；总而言之，加热炉内工件的加热温度，一方面影响加热炉的能耗和和工件烧损，另随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的内在性能和质量除材料成分特性外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工、处理等方面得到广泛应用。在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。年瑞典技术人员加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛应用于生产活动中。在我国，感应加热技术起步较晚，与世界发达国家相比存在着较大的差距。直到年代初，感应加热设备才有了一定的应用，但因其与其它加热方式相比在节能和无环境污染等方面的显著优势，近几年来得到了长足的发展，己被广泛应用于钢铁、石油、化工、有色金属、汽车、机械和军工产品的零部件热处理方面，且随着感应加热技术的进一步发展，其市场应用前景将越来越广阔【金属感应热处理中的加热目标是将金属加热到特定温度分布，比如热轧，不仅要求表面达到一定的温度，而且要求工件加热温度均匀，即工件径向与轴向温差小。在此特定温度下进行轧制既能保证能源的合理利用，又能使轧制力在正常范围内以方便车。又如在淬火加热中，除了表面温度的要求外，对加热层厚度等也有不同要求。所有这些都要求加热功率、加热时间等工艺参数选择合理。而在实际生产中，生产过程的复杂性部却没有达到工艺温度分布要求，将会影响后续工艺。如在轧制过程中，如果钢坯没被加热透，硬度较大，不仅对热成型的成品、半成品的质量造成很大影响，