Аннотация
Индукционные печи с холодным тиглем предназначены для выплавки металлов и сплавов высокой чистоты, а также тугоплавких и химически активных металлов. Такое их применение обусловлено отсутствием загрязнения расплава материалом тигля, наличием интенсивного электромагнитного перемешивания жидкого металла без дополнительных специальных устройств, позволяющего получить расплав, равномерный по химическому составу и температуре. Главным недостатком этих печей является низкий электрический коэффициент полезного действия, который обусловлен большими электрическими потерями в холодном тигле электропечи. Оптимизация конструкции холодных тиглей возможна только на основе глубокого комплексного исследования на базе 3D моделирования протекающих в них электромагнитных процессов и энергетических параметров системы «индуктор–расплав–холодный тигель». В статье описаны геометрическая и математическая модели одного сегмента тигля, реализованные в программном комплексе конечно-элементного моделирования полей различной природы – ANSYS. В процессе исследования было проведено многократное параметрическое моделирование индукционной системы с холодным тиглем при варьировании следующих параметров: действующего значения тока индуктора, количества сегментов холодного тигля, материала холодного тигля, наличия и отсутствия прорези вдоль канала водяного охлаждения каждого сегмента холодного тигля. В результате были получены картины распределения параметров электромагнитного поля (вектора напряженности магнитного поля и вектора плотности тока), а также зависимости активной мощности, выделяемой во всех токопроводящих элементах конструкции моделируемой системы, и электрического КПД от всех вариативных параметров. Анализ полученных зависимостей показал, что увеличение количества сегментов, из которых конструктивно выполняется холодный тигель, наличие прорези вдоль канала водяного охлаждения каждого сегмента холодного тигля, а также изготовление сегментов холодного тигля из нержавеющей стали (по сравнению с холодным тиглем, выполненным из меди) приводит к уменьшению в нем потерь активной мощности и, как следствие, увеличению электрического коэффициента полезного действия индукционной системы с холодным тиглем.
Ключевые слова: индукционный нагрев, холодный тигель, расплав, сегмент тигля, гарнисаж, электромагнитное поле, электрический коэффициент полезного действия, активная мощность в расплаве, численная модель
Список литературы
1. Numerical modeling of free surface dynamic of conductive melt in the induction crucible furnace / S. Spitans, A. Jakovics, E. Baake, B. Nacke // Magnetohydrodynamics. – 2010. – Vol. 46,
N 4. – P. 425–436.
2. Development, verification and application of numerical model for coupled free surface and liquid metal flow calculation in EM field / S. Spitans, E. Baake, B. Nacke, A. Jakovics // Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES–13 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing», Padua, Italy, May 21–24, 2013. –
Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013. – P. 279–286. – doi: 10.2495/MPF130051.
3. Cold crucible verification process: numerical simulation of pouring of molten glass evaborated in CCIM / E. Sauvage, P. Brun, M. Lima-Da-Silva, J. Lacombe, Y. Fautrelle, A. Gagnoud // Proceedings of the International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing, Hannover, September 16–19, 2014. – Hannover: Leibniz University of Hannover, 2014. – P. 189–194.
4. Study of direct solidification technology of multicrystalline silicon in cold crucible / V. Kichigin, B. Niemann, B. Nacke, A. Pechenkov, I. Pozniak // Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES–10 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing», Padua, May 18–21, 2010. – Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2010. – P. 249–254.
5. Pozniak I., Shatunov A. Mathematical modeling and study of induction furnace with cold crucible // Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES–13 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing», Padua, Italy, May 21–24, 2013. – Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013. – P. 641–646.
6. Pozniak I., Petchenkov A. Special tool for investigation and controlling of induction skull melting processes // Proceedings of the international colloquium «Modeling for saving resources», Riga, Latvia, May 17–18, 2001. – Riga: Laboratory for Mathematical Modelling of Environmental and Technological Processes, University of Latvia, 2001. – P. 158–163.
7. Pozniak I., Petchenkov A., Nacke B., Behrens T. Mathematical modeling and investigation of induction system with slitted crucible // Proceeding of the international scientific colloquium «Modelling for electromagnetic processing», Hannover, March 24–26, 2003. – P. 151–156.
8. Тир Л.Л., Фомин Н.И. Современные методы индукционной плавки. – М.: Энергия, 1975. – 112 с.
9. Тир Л.Л., Губченко А.П. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и частоты. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 120 с. – (Библиотека электротермиста; вып. 75).
10. Петров Ю.Б., Ратников Д.Г. Холодные тигли. – М.: Металлургия, 1972. – 112 с.
11. Тир Л.Л., Губченко А.П., Фомин И.П. Тенденции развития индукционных печей с холодным тиглем // Исследования в области промышленного электронагрева: труды ВНИИЭТО / Всесоюзный научно-исследовательский институт электротермического оборудования «ВНИИЭТО». – М.: Энергия, 1979. – Вып. 10. – С. 31–38.
12. Кувалдин А.Б., Васильев С.А. Исследование электрических потерь в холодном тигле индукционной печи с использованием трехмерного моделирования // Индукционный нагрев. – 2012. – № 21. – С. 16–21.
13. 2D электрогидродинамическая модель индукционной варки стекла в холодном тигле при двухчастотном нагреве ванны / Д.Б. Лопух, Б.С. Полеводов, С.И. Чеплюк, А.П. Мартынов, А.В. Вавилов, Д.А. Роуч // Индукционный нагрев. – 2011. – № 15. – С. 23–27.
14. Poznyak I., Maximenko M., Shatunov A. Study of crystallization front of the melt in induction furnace with cold crucible // Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES–13 «Induction, Dielectric and Microwaves, Conduction & Electromagnetic Processing», Padua, Italy, May 21–24, 2013. – Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013. – P. 439–445.
15. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1964. – 730 с.
16. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле: учебник для вузов. – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1978. – 528 с.
17. ANSYS Help System. Release 14.5. ANSYS 14.5 [Электронный ресурс]. – 1 электронный оптический диск (DVD-ROM).
18. Кравченко А.Н. Краевые характеристики в задачах электродинамики / АН УССР, Институт электродинамики. – Киев: Наукова думка, 1989. – 224 с.
