COMPETITIVENESS OF ELECTROTHERMAL HEATING METHODS

Full Text

В технологиях горячей деформации металлов существенное значение имеет выбор теплоносителя: пламенный нагрев (сжигание газа, мазута) или электрический. При электронагреве, когда приходится выбирать между нагревом сопротивлением или индукционным, надо иметь в виду, что последний согласно теории индукционного нагрева является малоэффективным для алюминиевых сплавов (низкие значения удельного сопротивления и магнитной проницаемости), особенно на промышленной частоте тока, на которой работают печи сопротивления. При электронагреве методом сопротивления подводимая путем теплопередачи конвекцией максимальная мощность составляет Руд =18,8 кВт/м2. При индукционном нагреве токами промышленной частоты, который успешно применяется для большинства размеров алюминиевых слитков, удельная мощность достигает Руд =1360 кВт/м2, т. е. примерно в 15 раз выше, чем в печах сопротивления. Кроме того, индукционный нагрев все шире внедряется во многие отрасли промышленности. Так, помимо традиционных отраслей он в настоящее время находит применение при производстве пластмасс и др. [1-2]. Но наиболее перспективно применение индукционного нагрева в технологиях нагрева металла для горячего пластического деформирования. При этом всегда ставится задача достижения максимальной энергоэффективности технологических комплексов «индукционная нагревательная установка (ИНУ) - обработка металла давлением (ОМД)». Традиционный путь решения такой задачи состоит в решении локальных задач оптимизации отдельно для нагревательной установки и деформирующего оборудования в жестких рамках заданных технологических инструкций, формируемых за пределами этих задач. Качественно более широкие возможности появляются при совместной оптимизации этих процессов, преследующей достижение предельных значений совокупного экономического показателя работы комплекса в целом. Здесь целесообразен системный подход, когда ИНУ рассматривается в едином комплексе с ОМД. При этом оптимизация на математических моделях проводится как аналитически, так и численно [3-9]. Если с точки зрения конструкции ИНУ и особенностей процесса индукционного нагрева ограничиться двумя основными формами нагреваемых заготовок - прямоугольной и цилиндрической, то из наиболее распространенных видов горячей ОМД в металлургическом производстве целесообразно рассмотреть прокатку (слябинг) и прессование. Индукционный нагрев цилиндрических тел, которые в основном являются заготовками при прессовании, довольно хорошо изучен, но при использовании индукционного нагрева в листопрокатном производстве возникает целый ряд особенностей. Индукционный нагрев тел с резко изменяющейся кривизной поверхности, к которым в первую очередь относятся слябы, характеризуется рядом проблем, которые в случае цилиндрических заготовок или вообще не возникают, или довольно легко разрешаются. Это прежде всего двумерный характер электромагнитного и температурного полей в поперечном сечении, когда температурный перепад между поверхностью и центром уже нельзя рассматривать в зависимости только от одной координаты, например радиуса заготовки. Исследования проводились при нагреве на промышленной частоте тока для слябов толщиной 0,3-0,5 м, характерной, например, для Самарского металлургического завода. Как показали исследования, распределение удельной плотности внутренних источников тепла для этих двух сплавов имеет резко отличный характер. Так, в случае алюминиевых слябов угловые зоны и ребра всегда будут иметь положительный температурный градиент по сравнению с серединами граней. В случае титановых слябов наблюдается обратная картина. Причина заключается в разных значениях для этих сплавов величины удельного электросопротивления и, соответственно, глубины проникновения тока. Это явление, характеризующее тепловыделение в прямоугольной области, вызывает наряду с продольным краевым эффектом - ослаблением магнитного поля на концах любых заготовок (прямоугольных и цилиндрических) - поперечный краевой эффект [10]: появление градиентов температуры по периметру поперечного сечения заготовки. Степень проявления поперечного краевого эффекта зависит от электрических и теплофизических свойств нагреваемого металла, размеров поперечного сечения, частоты тока индуктора и величины тепловых потерь. Так, на промышленной частоте тока это приводит к тому, что у алюминиевых слябов угловые зоны перегреваются по сравнению с центральными, а у титановых - наоборот. Другое явление, характеризующее индукционный нагрев прямоугольных тел, заключается в том, что электромагнитные процессы в системе «индуктор - металл» характеризуются не только выделением тепловой энергии в заготовке и индукторе, но также объемной плотностью электромагнитного поля и связанными с ней электродинамическими усилиями. Если в плавильных печах электродинамические силы играют положительную роль, т. к. могут улучшить перемешивание жидкого металла, то при индукционном нагреве под деформацию механическое проявление электромагнитной энергии играет резко отрицательную роль, т. к. возникает проблема устойчивости конструкций индукторов против вибраций, возникающих под действием электродинамических сил [11-16]. В индукторах для нагрева цилиндрических заготовок отсутствуют условия для возникновения значительных вибраций (круглое поперечное сечение обладает большой естественной жесткостью), а в индукторах прямоугольной формы необходимо принимать во внимание малую устойчивость прямолинейных участков обмотки индуктора. Причем суть проблемы представляет не механическая прочность медной трубки индуктора, поскольку возникающие напряжения изгиба гораздо меньше допустимых для меди, а сильная вибрация и сопровождающий ее шум, которые, если не принимать специальных мер, значительно превышают санитарные нормы для производственных помещений. Исследования показали, что при одинаковой удельной мощности наибольшее давление будет испытывать обмотка индуктора, предназначенного для нагрева немагнитных металлов с малым удельным электросопротивлением. Типовым в этом отношении является нагрев алюминиевых слябов на промышленной частоте как самой низкой из применяемых для индукционного нагрева. В самом общем случае для определения распределенных усилий по всему индуктору был использован закон Био - Савара - Лапласа, который позволяет найти вектор магнитной индукции в электрических системах любой сложности и тем самым определить настил тока в слябе. Затем, разбив заготовку на конечное число прямоугольных контуров и определив значения токов в этих контурах, а также найдя значение тока в обмотке индуктора с учетом взаимоиндуктивности, рассчитанной по известной формуле двух коаксиальных прямоугольников по методу ряда Тейлора, определены электродинамические усилия как на обмотку индуктора, так и на поверхность заготовки. При исследовании вибродинамической модели индуктора была синтезирована форма оптимальной оболочки индуктора по критерию минимального шумоизлучения (максимальной жесткости). Исследована индукционная установка промышленной частоты мощностью 1500 кВт для нагрева алюминиевого сляба размерами 0,3×1,24×2,4 м. Обмотка индуктора, выполненная медной трубкой 26×32 мм со смещенным отверстием диаметром 18 мм, армирована стеклопластиком и заключена в бетонные блоки оптимальной формы. Шум такой установки не превышал 65 дБ, а без бетонных блоков достигал 125 дБ. И, наконец, для индукционного нагрева крупногабаритных алюминиевых слябов по энергетическим и технологическим соображениям вполне приемлемой является промышленная частота тока. В этом случае возникает проблема электромагнитной совместимости напряжений питания индукторов и 3-фазной системы электроснабжения [17, 18].

About the authors

Lev S Zimin

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaua st., Samara, 443100, Russian Federation

Alexandra S Yeghiazaryan

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaua st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files