感應(yīng)加熱的熱源是感應(yīng)渦流的焦耳熱,具有速度快、效率高、控制精確、均勻性好、污染少等優(yōu)點(diǎn),因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。利用電磁感應(yīng)加熱工藝可對連鑄坯進(jìn)行在線加熱,可以在連鑄坯溫度尚未大幅下降之前進(jìn)行溫度補(bǔ)償,使鑄坯滿足軋制需求。連鑄坯感應(yīng)加熱過程的關(guān)鍵問題是如何設(shè)置感應(yīng)加熱參數(shù)。用實(shí)驗的方法耗時費(fèi)力、成本高,而且內(nèi)部的溫度很難測得。因此,數(shù)值模擬技術(shù)對于感應(yīng)加熱系統(tǒng)的設(shè)計和研究具有重要意義。本文以麥克斯韋微分方程組為基礎(chǔ),推導(dǎo)出了連鑄方坯感應(yīng)加熱電磁場微分控制方程,進(jìn)一步推導(dǎo)出不同介質(zhì)(感應(yīng)線圈、空氣和連鑄坯)區(qū)域的電磁場微分控制方程和渦流分布表達(dá)式。以能量守恒定律和傅里葉定律為基礎(chǔ),推導(dǎo)出瞬態(tài)溫度場微分控制方程。本文對感應(yīng)加熱問題進(jìn)行了描述和簡化,應(yīng)用ANSYS軟件對連鑄方坯感應(yīng)加熱溫度場和渦流分布進(jìn)行了模擬,主要包括實(shí)體建模、分析單元的選取、有限元網(wǎng)格劃分、邊界條件的定義和載荷的施加等,并對計算結(jié)果進(jìn)行了分析。利用現(xiàn)有的實(shí)驗條件對溫度場計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明,實(shí)測值和模擬值吻合良好。將通過現(xiàn)有的理論公式得到的渦流分布和數(shù)值模擬得到的渦流分布進(jìn)行了對比,兩條曲線基本吻合。最后,通過對比不同感應(yīng)線圈電參數(shù)電流、頻率,線圈匝數(shù),鑄坯的初始溫度對連鑄方坯橫截面溫度分布的影響,得到如下結(jié)論:(1)隨著頻率的增大,鑄坯內(nèi)部部分區(qū)域溫度會降低,但鑄坯邊部溫度升高,使得溫度分布不均勻性增加;(2)增大感應(yīng)線圈的電流不能改變連鑄坯的整體溫度分布趨勢,但能夠使鑄坯整體溫度升高,即升溫速率加快;(3)初始溫度的分布會對鑄坯橫斷面的溫度分布有重大影響,在較低溫度下熱量會更加趨于邊部;(4)增加線圈匝數(shù)同增大電流強(qiáng)度有相似規(guī)律;(5)連鑄時結(jié)晶器可在允許范圍內(nèi)取較大圓角,這樣可以減少散熱,也可以使感應(yīng)加熱后鑄坯橫斷面溫度分布更加均勻。
【學(xué)位單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TF777.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1. 緒論
    1.1 課題提出的背景及意義
    1.2 連鑄坯熱裝熱送與連鑄直軋技術(shù)
        1.2.1 連鑄坯熱裝熱送與直接軋制技術(shù)國內(nèi)外狀況
        1.2.2 熱裝熱送和連鑄直軋技術(shù)優(yōu)勢
    1.3 感應(yīng)加熱技術(shù)
        1.3.1 感應(yīng)加熱技術(shù)基本原理
        1.3.2 感應(yīng)加熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
        1.3.3 感應(yīng)加熱技術(shù)的用途
    1.4 感應(yīng)加熱數(shù)值模擬技術(shù)國內(nèi)外狀況
    1.5 課題研究內(nèi)容
2. 連鑄方坯感應(yīng)加熱有限元數(shù)值分析模型
    2.1 感應(yīng)加熱電磁場微分方程的建立
    2.2 感應(yīng)加熱溫度場微分方程的建立
    2.3 小結(jié)
3. 基于ANSYS的磁-熱耦合場計算
    3.1 感應(yīng)加熱問題的描述和簡化
    3.2 計算方法的選擇
    3.3 數(shù)值模擬計算的基本過程
        3.3.1 建立屬性關(guān)系
        3.3.2 模型的建立及網(wǎng)格劃分
        3.3.3 物理環(huán)境文件的生成
        3.3.4 求解計算
        3.3.5 結(jié)果后處理
    3.4 感應(yīng)加熱關(guān)鍵問題的處理
        3.4.1 輻射換熱的處理
        3.4.2 軸向熱傳導(dǎo)的處理
        3.4.3 工件移動的影響及處理
        3.4.4 材料物性參數(shù)為變量的處理
        3.4.5 初始溫度場的確定
    3.5 有限元計算模型的建立
        3.5.1 實(shí)體建模
        3.5.2 分析單元的選取
        3.5.3 有限元網(wǎng)格劃分
        3.5.4 邊界條件和載荷
        3.5.5 初始條件
    3.6 模擬結(jié)果及分析
        3.6.1 溫度場模擬結(jié)果及分析
        3.6.2 電磁場模擬結(jié)果及分析
    3.7 小結(jié)
4. 計算結(jié)果驗證
    4.1 溫度場模擬結(jié)果驗證
        4.1.1 電源的選用
        4.1.2 感應(yīng)加熱爐
        4.1.3 溫度測試設(shè)備：紅外線測溫儀
        4.1.4 結(jié)果驗證
    4.2 渦流分布規(guī)律對比
    4.3 小結(jié)
5. 感應(yīng)加熱溫度場影響因素分析
    5.1 頻率變化對溫度分布的影響
    5.2 電流變化對溫度分布的影響
    5.3 初始溫度不同對溫度分布的影響
    5.4 感應(yīng)線圈匝數(shù)對溫度分布的影響
    5.5 倒圓角對溫度分布的影響
    5.6 小結(jié)
6. 總結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
在校期間研究成果

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本文編號：2874181