橫向磁通感應(yīng)加熱帶材溫度分布研究

橫向磁通感應(yīng)加熱帶材溫度分布研究

1新型橫向磁通感應(yīng)加熱圈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這種感應(yīng)加熱技術(shù)具有能耗強(qiáng)、加熱速度快、加熱質(zhì)量高、施工清潔、機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械制造、輕化工等領(lǐng)域。橫向磁通感應(yīng)加熱(TransverseFluxInductionHeating,TFIH)是利用對(duì)稱(chēng)放置在工件兩側(cè)的兩組通有同相交變電流的線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在工件上感應(yīng)出的渦流所產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)工件進(jìn)行加熱。圖1為橫向磁通感應(yīng)加熱裝置三維結(jié)構(gòu)半模型。感應(yīng)加熱器由線圈與鐵心組成,帶材在兩個(gè)感應(yīng)加熱器之間勻速運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)速度一般為每分鐘幾米,圖中符號(hào)“→”表示帶材的運(yùn)動(dòng)方向。與傳統(tǒng)的縱向磁通感應(yīng)加熱相比,橫向磁通感應(yīng)加熱具有較低頻率下即可對(duì)工件進(jìn)行加熱、無(wú)功功率低以及線圈不圍繞工件尤其適合于連續(xù)熱處理過(guò)程等諸多優(yōu)勢(shì)。雖然近年來(lái)感應(yīng)加熱技術(shù)的研究已取得一些成績(jī),但傳統(tǒng)的矩形線圈結(jié)構(gòu)的橫向磁通感應(yīng)加熱器依舊存在裝置出口處沿帶材寬度方向上帶材表面溫度分布不均勻的問(wèn)題。研究人員通過(guò)調(diào)整線圈寬度與帶材寬度的比例,或采用多組矩形線圈,但并沒(méi)有徹底解決出口溫度分布不均勻的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)很多企業(yè)曾試制橫向磁通感應(yīng)加熱設(shè)備,但都沒(méi)有得到令人滿意的加熱效果。究其原因,感應(yīng)加熱裝置涉及運(yùn)動(dòng)物體的三維電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的非線性耦合問(wèn)題,屬多學(xué)科交叉研究,理論和技術(shù)復(fù)雜。感應(yīng)加熱器線圈的結(jié)構(gòu)與尺寸對(duì)渦流分布和溫度分布都會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此對(duì)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析,在考慮工業(yè)應(yīng)用實(shí)際情況基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)滿足工程需要的新型橫向磁通感應(yīng)加熱線圈具有重要的理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過(guò)本課題組研究得出的指導(dǎo)橫向磁通感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)的結(jié)論:(1)渦流分布可以近似為線圈在帶材上的投影上,稱(chēng)之為“線圈投影規(guī)律”。(2)在帶材的入口處、出口處以及線圈在帶材投影的中心線處渦流密度近似為零。(3)在帶材的邊緣附近渦流分布受“線圈投影規(guī)律”與邊緣效應(yīng)的雙重影響,當(dāng)線圈寬度小于帶材寬度時(shí),帶材邊緣渦流密度減小;反之渦流密度增大。本文以“線圈投影規(guī)律”為基礎(chǔ),提出一種新型橫向磁通感應(yīng)加熱線圈結(jié)構(gòu),并在同等輸入電流、相同規(guī)格被加熱帶材和同等鐵心間氣隙厚度條件下,與文獻(xiàn)和中應(yīng)用的兩種典型線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,采用有限元法對(duì)渦流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合問(wèn)題進(jìn)行了仿真分析,得出了帶材表面磁感應(yīng)強(qiáng)度、渦流、熱源和溫度的分布。仿真結(jié)果說(shuō)明本文提出的感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)能夠在裝置出口處沿帶材寬度方向上獲得更為均勻的出口溫度,為新型帶材橫向磁通感應(yīng)加熱裝置樣機(jī)的制作提供了理論依據(jù)。2帶材表面熱傳導(dǎo)麥克斯韋方程組是支配所有宏觀電磁現(xiàn)象的一組基本方程,其微分形式為式中,H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;J為電流密度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;D為電位移量。文中忽略導(dǎo)體中的積聚電荷的作用,即ρuf03d0。由于J、D、E符合以下關(guān)系式中,σ為電導(dǎo)率;ε為電容率。由式(1)、式(5)和式(6)可知其相應(yīng)的向量形式為由式(8)可知,當(dāng)頻率為幾千赫茲時(shí)滿足所以式中可以忽略。因此方程(7)可簡(jiǎn)化為熱源pV由渦流決定,其表達(dá)式為溫度場(chǎng)θ(x,y,z,tuf029的計(jì)算基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程式中,c為比熱;λ為導(dǎo)熱系數(shù);ρ為物體的密度。帶材表面因?qū)α骱洼椛涠鸬臒崃繐p失由Neuman邊界條件確定式中,為帶材表面溫度;為環(huán)境溫度;αc為對(duì)流換熱系數(shù);αR為熱輻射系數(shù)。3感應(yīng)熱處理帶材材料的選取選取橫向磁通感應(yīng)加熱裝置研究過(guò)程中比較典型的兩種線圈結(jié)構(gòu),在同等輸入電流、相同規(guī)格被加熱帶材和同等氣隙厚度條件下,將新型線圈結(jié)構(gòu)與兩種典型線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,對(duì)比三維仿真計(jì)算得到的感應(yīng)加熱區(qū)域帶材表面磁感應(yīng)強(qiáng)度、渦流、熱源和溫度分布。感應(yīng)熱處理最常用的鋼號(hào)是含碳(C)0.4%~0.5%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。由于含碳量適中、能得到高硬度,又不易產(chǎn)生熱處理裂紋,因此45#鋼得到最廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),由于工藝的改進(jìn),感應(yīng)熱處理鋼號(hào)范圍在不斷擴(kuò)大。不失一般,本文選用帶材材料為45#鋼。被加熱的帶材厚度設(shè)置為0.6mm,寬度為400mm,運(yùn)行速度為0.06m/s,激勵(lì)電流幅值為2000A,頻率為1000Hz。3.1傳統(tǒng)圈帶材勻速運(yùn)動(dòng)方向傳統(tǒng)的橫向磁通感應(yīng)加熱裝置的線圈基本上采用矩形形狀,或者在接近邊緣位置采用弧形如圖1所示。本文選取文獻(xiàn)中采用的線圈形狀進(jìn)行仿真比較。線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示,箭頭代表連續(xù)帶材勻速運(yùn)動(dòng)方向。傳統(tǒng)線圈感應(yīng)加熱裝置的四分之一剖分圖如圖3所示。感應(yīng)器在帶材上的投影區(qū)域內(nèi),帶材的磁感應(yīng)強(qiáng)度、渦流、熱源和溫度分布如圖4~圖7所示。由圖4和圖5可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流近似集中于線圈在帶材上的投影,并且分布較為均勻,由于邊緣效應(yīng)的影響,僅在邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流值略高于靠近帶材中線部分,次邊緣位置值略低。圖6和圖7中左側(cè)為帶材出口位置。由圖7可知,出口處帶材溫度較為均勻,帶材邊緣處溫度偏高。3.2橫向磁通應(yīng)力加熱裝置試樣結(jié)果分析文獻(xiàn)中采用的線圈形狀為菱形結(jié)構(gòu),線圈的四條邊與帶材四條邊成45°,考慮到帶材邊緣的散熱效果較強(qiáng),線圈略突出帶材邊緣,感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖8所示,箭頭代表連續(xù)帶材運(yùn)動(dòng)方向。改進(jìn)線圈感應(yīng)加熱裝置的四分之一剖分圖如圖9所示。在感應(yīng)器在帶材上的投影區(qū)域內(nèi),帶材的磁感應(yīng)強(qiáng)度、渦流、熱源和溫度分布分別如圖10~圖13所示。由圖10和圖11可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流近似集中于線圈在帶材上的投影,并且分布較為均勻,帶材邊緣處磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流值略高,靠近帶材中線處值略低。圖12和圖13中左側(cè)為帶材出口位置。由圖12可知,熱源呈倒三角由邊緣向帶材中線減小。由圖13可知,帶材中心處溫度偏低。本課題組根據(jù)圖8所示線圈結(jié)構(gòu)制成了橫向磁通感應(yīng)加熱裝置樣機(jī),利用紅外熱像儀實(shí)測(cè)加熱器出口處溫度分布,如圖14所示。圖中符號(hào)“→”表示帶材的運(yùn)動(dòng)方向,帶材由上至下勻速運(yùn)動(dòng),上部所標(biāo)注橫線位置即為感應(yīng)器出口。與圖13比較可知,帶材中間區(qū)域溫度偏低,兩側(cè)區(qū)域溫度偏高,仿真溫度分布規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。3.3傳感熱溫度分布本文根據(jù)“線圈投影規(guī)律”,同時(shí)考慮邊緣效應(yīng)和加熱效率,設(shè)計(jì)如圖15所示的新型感應(yīng)加熱線圈結(jié)構(gòu)。線圈為軸對(duì)稱(chēng)的六邊形,箭頭代表連續(xù)帶材運(yùn)動(dòng)方向。如圖15所示,在帶材寬度方向上,線圈結(jié)構(gòu)中段垂直于帶材運(yùn)動(dòng)方向,保證帶材中部熱源均勻;考慮到帶材邊緣的散熱,兩端采用三角形狀,與帶材運(yùn)動(dòng)方向成一定角度,增加沿帶材運(yùn)動(dòng)方向上線圈投影的面積以提高熱源。新型線圈感應(yīng)加熱裝置的四分之一剖分圖如圖16所示。感應(yīng)器在帶材上的投影區(qū)域內(nèi),帶材的磁感應(yīng)強(qiáng)度、渦流、熱源和溫度分布分別如圖17~圖20所示。由圖17和圖18可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流近似集中于線圈在帶材上的投影,并且分布較為均勻,僅在六邊形拐角處磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流值略低于靠近帶材中線部分。圖19和圖20中左側(cè)為帶材出口位置。由圖19可知,對(duì)應(yīng)于線圈與帶材運(yùn)動(dòng)方向成一定角度的部分的投影處的熱源值高于垂直于帶材運(yùn)動(dòng)方向的部分。由圖20可知,出口處帶材溫度較為均勻,帶材次邊緣處溫度偏高。三種感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)下感應(yīng)加熱裝置的出口處沿帶材寬度方向上的溫度分布如圖21所示。為了更好地分析感應(yīng)器出口處的帶材表面溫度分布的均勻程度,引入平均溫度Tav和相對(duì)不均勻度Trel,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中,Ti為在感應(yīng)器出口處沿帶材寬度方向上帶材表面第i個(gè)采樣點(diǎn)的溫度值,i∈(1,nuf029;n為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù);Tav反應(yīng)的是所有采樣點(diǎn)溫度值的平均值,只是對(duì)溫升大小的一個(gè)粗略的表示,不能體現(xiàn)帶材在感應(yīng)加熱器出口處溫度分布的均勻程度;Trel是考慮到所有采樣點(diǎn)的偏離平均溫度的程度,所以能夠反應(yīng)帶材在加熱器出口處的不均勻性。由圖21可知,傳統(tǒng)線圈感應(yīng)器所加熱帶材的相對(duì)不均勻度為4.5%,最低溫度為最高溫度的81.7%;改進(jìn)線圈感應(yīng)器所加熱帶材的相對(duì)不均勻度為10.2%,最低溫度為最高溫度的70.3%;新型線圈結(jié)構(gòu)感應(yīng)器所加熱帶材的相對(duì)不均勻度為4.3%,最低溫度為最高溫度的87.6%。由以上數(shù)據(jù)可以得出這樣的結(jié)論:在相同外部條件的基礎(chǔ)上新型線圈結(jié)構(gòu)下出口溫度曲線更加平滑。4帶材橫向磁通應(yīng)力加熱裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本文根據(jù)線圈投影規(guī)律設(shè)計(jì)的新型六邊形橫向磁通感應(yīng)加熱器線圈結(jié)構(gòu),在同等輸入電流、相同規(guī)格被加