Технология нагрева алюминиевых заготовок перед прессованием

1.2 Сравнение современных методов нагрева алюминия и его сплавов перед технологиями обработки давлением

Потребление конечной энергии при методах прямого нагрева, таких как индукционный и кондукционный, всегда ниже, чем при методах косвенного нагрева, к которым относится пламенный нагрев. Потери в камерной печи составляют до 75 %, в то время как в установках индукционного нагрева примерно от 55 % до 80 % конечной энергии преобразуются в полезную энергию. Даже новейшие газовые установки быстрого нагрева по сравнению с индукционными нагревателями имеют в два раза большее потребление конечной энергии.

Самым выгодным с энергетической точки зрения является кондукционный нагрев. К сожалению, этот метод подходит не для всех типов заготовок, используемых в кузнечнопрессовом производстве. Поэтому зачастую остается выбор лишь между газовым и индукционным нагревом. Несмотря на высокое потребление первичной энергии и выделение С02, индукционный нагрев обладает рядом преимуществ. Из-за меньшего времени нагрева степень поверхностного обезуглероживания и образования окалины на готовых поковках при индукционном нагреве значительно меньше. Благодаря большой передаваемой удельной мощности производительность по сравнению с газовым нагревом может быть существенно увеличена.

Методы электронагрева часто позволяют экономически боле выгодно сформировать весь производственный цикл благодаря меньшей площади установок, высокой гибкости и лучшей интеграции в технологический процесс. Индукционный метод нагрева позволяет достичь высокого уровня автоматизации и, как результат, высокого качества продукции, уменьшить численность обслуживающего персонала и сократить площадь, занимаемую установками нагрева. Вместе с тем индукционная печь имеет еще такие преимущества, как возможность оптимального управления процессом, регулирование мощности.

Однако наиболее экономически выгодный подход, снижающий стоимость нагрева тонны металла при существенном уменьшении окалинообразования и обезуглероживания, заключается в нагреве металла индукционным способом после выхода из газовой печи до температуры прокатки (прессовки, штамповки).

При нагреве немагнитных металлов с низким удельным сопротивлением, таких как алюминий, мощность потерь в обмотках катушки больше, чем все прочие потери вместе взятые. Самый очевидный путь уменьшить мощность потерь в индукционной катушке - это уменьшить ее сопротивление Rкат, которое может быть определено по формуле5:

Rкат = скат ? L/S, (1)

где скат - удельное сопротивление обмоток катушки, L - длина токопроводящего проводника, S - площадь сечения, через которое проходит ток.

Таким образом, возможность уменьшить потери в катушке является главным путем к увеличению эффективности нагревателя алюминиевых заготовок.

Следует отметить, что стоимость природных энергоресурсов постоянно возрастает, а стоимость производства электричества снижается, что создает хорошую основу для постепенного экономически обоснованного вытеснения в металлургическом производстве газового нагрева индукционным.

Обзор литературных источников показал, что в настоящее время возможно существенно повысить энергетическую эффективность процесса нагрева алюминиевых болванок перед прессованием используя технологию нагрева заготовки вращением в поле постоянных магнитов (Рисунок 1).

На кафедре велась разработка системы, представленной на Рисунке 2.

Рисунок 1 - Вращающаяся заготовка в однородном магнитном поле

Рисунок 2 - Макет нагревательной установки с использованием сверхпроводящего индуктора. 1 - силовые магнитные линии, 2 - вал асинхронного двигателя, 3 - сверхпроводящая катушка, 4 - направление постоянного тока в катушке, 5 - криостат, 6 - направление индуцированного тока в заготовке

1.3 Анализ методов моделирования электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве металлических листов в магнитном поле

Выбор метода расчета и исследования электромагнитных параметров индукционных устройств зависит от вида электромагнитной системы, задачи исследования, имеющихся технических средств и программного обеспечения. Можно выделить три основные задачи: предварительный расчет на стадии выбора варианта устройства; полный расчет проектируемого или эксплуатируемого устройства с целью оптимизации рабочих параметров; исследование устройств определенного типа с целью выяснения закономерностей электромагнитных процессов и получения рекомендаций по использованию таких электромагнитных систем.

Существует несколько методов расчета и анализа. Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки, значение которых меняется в зависимости от конкретной ситуации, что затрудняет общий анализ.

Методы схем замещения для двумерных и трехмерных систем очень просты, но позволяют определить только интегральные параметры (токи, сопротивления, мощности), имеют ограниченную область применения и недостаточную точность.

Физическое моделирование является одним из основных методов исследования индукционных устройств, несмотря на широкое использование математического моделирования. Эксперименты на физических моделях и натурных устройствах применяются для проверки адекватности математических моделей реальным объектам, нахождения или уточнения физических свойств нагреваемых материалов, определения влияния принятых допущений, а также явлений, не учтенных при моделировании, решения вопросов технологического и конструктивного характера. Недостатками физического моделирования являются во многих случаях большая стоимость и трудоемкость, невысокая точность измерения ряда параметров при общей достоверности процесса, ограниченная наблюдаемость. Например, отсутствуют методы прямого измерения плотности потока электромагнитной мощности и объемной плотности источников теплоты. Температурное поле может быть измерено лишь в ограниченном числе точек, в основном поверхностных.

Аналитические методы при реализации их на ЭВМ обладают высокой точностью, быстродействием, компактностью ввода исходных данных, однако имеют жесткие ограничения по областям применения. Они используются обычно для расчета геометрически простых систем или отдельных частей сложных систем, причем, как правило, в линейной постановке.

Численные методы позволяют выполнять расчет при любой геометрии системы и физических свойствах тел, однако их практическая реализация связана с ограничениями по быстродействию и точности расчета из-за методических и вычислительных погрешностей. С усложнением системы быстро возрастают трудности ее описания, подготовки и ввода информации.

В численных методах анализа используются два наиболее распространенных метода - метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР).

Решение полной задачи расчета электромагнитного поля в индукционной системе методом конечных разностей и методом конечных элементов наталкивается на ряд трудностей. Главными из них являются: необходимость во многих случаях учета внешних цепей питания с сосредоточенными элементами (индуктивности, емкости, активные сопротивления); сложная конструкция индукторов, в том числе с многосекционными, многослойными, многофазными обмотками; эвристический подход к выбору границ области расчета электромагнитного поля, влияющий на точность получаемых решений.

Наибольшее распространение при решении дифференциальных уравнений в частных производных, когда аналитические методы неприемлемы, получили методы дискретизации МКР и МКЭ. МКЭ первоначально использовался только при решении задач строительной механики, где введение конечных элементов было физически оправдано и позволило дать методу простую инженерную интерпретацию. В дальнейшем усилиями математиков была показана возможность использования МКЭ для решения широкого класса уравнений в частных производных, в том числе и уравнений электродинамики. Энергичная пропаганда метода и качественное программное обеспечение сделали МКЭ чрезвычайно популярным.

При использовании МКЭ расчетная область разбивается на конечное число подобластей, называемых конечными элементами. Для двухмерных задач наиболее часто в качестве конечных элементов используются треугольники и четырехугольники, для трехмерных - тетраэдры и параллелепипеды. В пределах каждого конечного элемента вводятся аппроксимирующие однотипные функции, которые равны нулю всюду, кроме как в соответствующем элементе и непосредственно примыкающих к нему подобластях. Для нахождения значений функций, в узлах прилегающих друг к другу элементов составляется система алгебраических уравнений. Матрица коэффициентов системы линейных алгебраических уравнений является сильно разреженной матрицей ленточной структуры, в которой ненулевые элементы располагаются параллельно главной диагонали. Ширина ленты зависит от способа нумерации узлов. Рациональная нумерация позволяет добиться минимальной ширины ленты и повысить эффективность решения системы уравнений.

В целом МКЭ очень эффективен при решении многих задач расчета электромагнитного поля, особенно в областях с криволинейными границами.

Суть метода конечных разностей заключается в следующем. В рассматриваемой пространственно-временной области вместо функции непрерывного элемента вводится ее разностный аналог, определенный в конечном числе точек сетки, покрывающей область. Дифференциальные операторы заменяются соответствующими алгебраическими конечно-разностными выражениями. В итоге исходное дифференциальное уравнение и краевые условия аппроксимируются системой разностных уравнений, или, как говорят, разностной схемой. Решив систему алгебраических уравнений, получим приближенное значение искомой функции в узлах сетки.

Для программ и сред моделирования, рассчитанных на решение широкого круга вопросов, необходимо развитое программное обеспечение, позволяющее квалифицированному исследователю моделировать работу устройств различных типов с высокой точностью. Основными требованиями к ним являются их универсальность и хороший уровень адекватности моделей реальным устройствам и процессам.

Сегодня существует множество различных программных средств и сред моделирования. Их можно разделить на узкоспециализированные и универсальные. Узкоспециализированные разрабатываются для моделирования небольшого числа систем и процессов. Универсальные в большинстве являются коммерческими разработками, постоянно ведется работа по их усовершенствованию. Они позволяют решать широкий круг задач, моделировать многие физические процессы и системы со сложной геометрией. Одной из таких сред является пакет моделирования ANSYS.

ANSYS - универсальный конечно-элементный пакет, который используют для: статического и динамического анализа конструкций с учетом геометрической (в т.ч. двухмерные и трехмерные контактные задачи) и физической нелинейности, анализа усталостных характеристик, решения задач линейной и нелинейной устойчивости конструкций, анализа электромагнитных полей (в т.ч. высокочастотных до 100 ГГц), решения стационарных и нестационарных задач теплофизики, гидрогазодинамики, акустики, оптимизации.

1.4 Свойства алюминия и его применение

Алюминий является важнейшим металлом, объем его производства намного опережает выпуск всех остальных цветных металлов и уступает только производству стали. Высокие темпы прироста производства алюминия обусловлены его уникальными физико-химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике, авиа- и автостроении, транспорте, производстве бытовой техники, строительстве, упаковке пищевых продуктов и пр.

Чем чище алюминий, тем он легче, тем выше его теплопроводность и электропроводность, отражательная способность, пластичность. Особенно заметен рост химической стойкости. Последнее объясняется образованием окисной пленки, которой на воздухе покрывается как сверхчистый, так и обычный технический алюминий.

Впрочем, все перечисленные достоинства сверхчистого алюминия в той или иной степени свойственны и обычному (техническому) алюминию. Алюминий легок - его плотность 2.7 г/см3 - почти в 3 раза меньше, чем у стали, и в 3.3 раза меньше, чем у меди. А электропроводность алюминия лишь на одну треть уступает электропроводности меди. Эти обстоятельства и тот факт, что алюминий стал значительно дешевле, послужили причиной массового использования алюминия в проводах и вообще в электротехнике.

Высокая теплопроводность в сочетании с более чем удовлетворительной химической стойкостью сделали алюминий перспективным материалом для теплообменников и других аппаратов химической промышленности, домашних холодильников, радиаторов автомобилей и тракторов.

Все эти многочисленные достоинства алюминия становятся еще более весомыми оттого, что этот металл в высшей степени технологичен. Он прекрасно обрабатывается давлением - прокаткой, прессованием, штамповкой, ковкой. В основе этого полезного свойства - кристаллическая структура алюминия. Его кристаллическая решетка составлена из кубов с центрированными гранями. Но при этом алюминий малопрочен. Предел прочности чистого алюминия - всего 80-100 МПа. Модуль упругости алюминия 70 ГПа, а температура плавления равна 660 0С.

Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять алюминий как проводник электрического тока. Разницу в электропроводности меди и алюминия компенсируют увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса.

В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов - авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, химическая промышленность, производство предметов народного потребления. Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь - воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали. Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы. Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов. Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов.

Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу, которая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более дорогую оловянную фольгу.

Благодаря таким свойствам алюминия как легкость и прочность, он получил широкое применение в промышленном и гражданском строительстве. Различные виды алюминиевых профилей представлены на Рисунке 3. Одним из методов горячей обработки давлением является прессование профилей. Процесс прессования алюминиевых профилей показан на Рисунке 4.

Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства. В пищевой промышленности из него изготовляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и высокую теплопроводность.

Алюминий используется для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.
Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники - ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии. Химическую активность алюминия по отношению к кислороду используют для раскисления при производстве полуспокойной и спокойной стали и для получения трудновосстановимых металлов путем вытеснения алюминием из их кислородных соединений. Высокая отражающаяся способность алюминия используется для изготовления из него отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал. Алюминий применяют как легирующий элемент в самых различных сталях и сплавах. Он придает им специфические свойства. Так, например, он повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов.

Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например, расход алюминия для этих целей составляет около 30 % от общего потребления, в США - более 20 %. По масштабам производства и значению в хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.

В целом применение алюминия в различных отраслях хозяйства на примере развитых стран оценивают следующими цифрами: транспортное машиностроение 20-23% (в том числе автомобилестроение 15%), строительство 17-18%, электротехника 10-12%, производство упаковочных материалов 9-10%, производство потребительских товаров длительного пользования 9-10%, общее машиностроение 8-10%.

Алюминий завоевывает все новые области применения, несмотря на конкуренцию других материалов.

нагрев цилиндрический алюминиевый заготовка

Рисунок 3 -Алюминиевые профили

Рисунок 4 - Процесс прессования алюминиевых профилей

Выводы по главе

Проанализировав методы нагрева алюминия и его сплавов, можно сделать вывод, что, несмотря на недостатки индукционного нагрева, он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Главное преимущество индукционного нагрева заключается в выделении теплоты непосредственно в самом металле. При индукционном нагреве реализуется возможность значительной концентрации электрической энергии в небольшом объеме нагреваемого металла, что позволяет осуществлять нагрев с большой скоростью. Из-за меньшего времени нагрева степень поверхностного обезуглероживания и образования окалины на готовых поковках при индукционном нагреве значительно меньше.

В установках индукционного нагрева примерно от 55 % до 80 % конечной энергии преобразуются в полезную энергию. Благодаря большой передаваемой удельной мощности производительность по сравнению с газовым нагревом может быть существенно увеличена.

Индукционный метод нагрева позволяет достичь высокого уровня автоматизации и, как результат, высокого качества продукции, уменьшить численность обслуживающего персонала и сократить площадь, занимаемую установками нагрева. Вместе с тем индукционная печь имеет еще такие преимущества, как возможность оптимального управления процессом, регулирование мощности.

Нагрев перед прессованием способствует повышению пластичности металла, облегчает процесс его обработки. Хорошо поддаются обработке такие металлы, как алюминий и медь. Алюминий является хорошо проводящим материалом, что позволяет для нагрева алюминия и его сплавов применять токи промышленной частоты 50 Гц. Главными преимуществами использования частоты 50 Гц являются снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты, а также уменьшение времени нагрева изделий.

Алюминий в высшей степени технологичен. Он прекрасно обрабатывается давлением - прокаткой, прессованием, штамповкой, ковкой.

2. Разработка численных моделей индукционной системы для нагрева алюминиевых заготовок вращением в поле постоянных магнитов

2.1 Численное моделирование электромагнитного поля методом конечных элементов

ANSYS использует уравнения Максвелла, как базис для решения задач электромагнитного поля. Главные неизвестные (DOF - степени свободы), которые находятся методом конечных элементов. Это векторный магнитный потенциал. Другие величины находятся из этих неизвестных.

Уравнение непрерывности выводится, используя оператор div выражения:

(2)

Уравнение непрерывности должно быть удовлетворено надлежащей системой уравнений Максвелла. Вышеприведенные уравнения должны быть дополнены материальными уравнениями, описывающими закономерности электромагнитных материалов.

Дифференциальная формулировка закона электромагнитной индукции для движущихся тел и уравнение связи индукции и напряженности электрического поля:

(3)

(4)

где - матрица диэлектрических проницаемостей,

(5)

где _xx - диэлектрическая проницаемость в направлении оси x. - вектор скоростей,

(6)

Для решения задач, связанных с магнитным полем, как правило, используется векторный и скалярный потенциалы (магнитный векторный потенциал и скалярный электрический потенциал). В зависимости от задачи используется тот или иной потенциал. Факторы, влияющие на выбор это: динамика поля, размерность, дискретизация и размер области (домена).

В численных двухмерной и трехмерной моделях используются элементы SOLID53 и элемент SOLID97 соответственно. В них применен метод магнитного векторного потенциала, учитывается статическое и динамическое поле, пренебрегается токами смещения, используется следующее подмножество уравнений Максвелла3:

(7)

(8)

(9)

Решение может быть получено введением магнитного векторного потенциала A такого, что:

(10)

и электрического скалярного потенциала V такого, что:

(11)

Эти условия гарантируют выполнение выражений (8) и (9). Остается найти решение выражения (7) и свободное от расходимости условие плотности тока. Результирующие дифференциальные уравнения для токопроводящей и магнитно-проницаемой области:

(12)

(13)

и для не токопроводящей области:

(14)

где

(15)

Базовое решение задачи электромагнитного поля включает напряженность магнитного поля, плотность магнитной индукции, электромагнитные силы и плотности тока.

Напряженность магнитного поля находится первой при помощи операции вычисления ротора магнитного векторного потенциала.

(16)

где - функция формы элемента, - узловой векторный магнитный потенциал.

Далее напряженность магнитного поля находится из магнитной индукции:

(17)

где - матрица удельного магнитного сопротивления.

Для переходного анализа также находятся плотности тока:

(18)

где - полная плотность тока,

(19)

где - плотность тока, обусловленная , - матрица проводимостей, n - число точек интегрирования,- производная по времени от магнитного векторного потенциала.

(20)

где - электрический скалярный потенциал, - функция формы элемента для V, вычисленной в точках интегрирования,

(21)

где - вектор приложенной скорости;

где - полная плотность тока,

(22)

где - плотность тока, обусловленная , - матрица проводимостей, n - число точек интегрирования, - производная по времени от магнитного векторного потенциала.

(23)

где - электрический скалярный потенциал, - функция формы элемента для V, вычисленной в точках интегрирования,

(24)

где - вектор приложенной скорости.

2.2 Двухмерная численная модель

Средства пространственного управления температурным полем в нагреваемой заготовке можно разделить на две группы: пассивные и активные. К активным средствам относится все, что связано с системами генерации электромагнитного поля. А к пассивным относятся дополнительно вносимые в поле «посторонние» предметы. Это могут быть различные магнитные и ферромагнитные изделия различной геометрической формы и геометрических размеров.

Оптимальный процесс нагрева нуждается в точном проектировании индуктора или постоянных магнитов. Математическое моделирование является удобным инструментом для оптимального проектирования нагревателей. В целом методика проектирования установки индукционного нагрева состоит из нескольких этапов, которые являются общими для всех инженерных задач. Математическое моделирования включает в себя преобразование инженерного описания проблемы в четкую математическую постановку, разработку модели, используя численный метод, например, метод конечных элементов, который обеспечивает приближенное решение.

При исследовании влияния средств управления температурным полем в нагреваемой заготовке, работа была разбита на два этапа. На первом этапе, при помощи средств численного моделирования, исследовалась возможность создания однородного магнитного поля в котором вращается нагреваемая заготовка. А на втором этапе исследовалось влияние пассивных средств вносимых в электромагнитное поле на распределение температуры в нагреваемой алюминиевой болванке. Для исследования влияния пассивных средств управления на распределение температуры в нагреваемой болванке было принято решение провести моделирования для случая, когда алюминиевая болванка вращается с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле (Рисунок 1).

На практике такое распределение поля получить достаточно сложно, либо экономически нецелесообразно, но это сделано для того чтобы в исследованиях исключить влияние на распределение температуры в заготовке неравномерности поля. В таком случае возможно полно и всесторонне исследовать возможности пассивных средств управления температурным полем в нагреваемой заготовке.

Эскиз исследуемой системы представлен на Рисунке 5.

Однородное магнитное поле можно создать несколькими способами. В работе использовались два взаимозаменяемых метода. В первом методе для создания поля использовались длинные плоские пластины с током - индуктор (Рисунок 6), а во втором постоянные магниты (Рисунок 7). Как видно из представленных рисунков, в области нахождения нагреваемой алюминиевой болванки поле идеально однородное. Если же начать вращать заготовку с некоторой постоянной угловой скоростью, то поле искажается, как показано на Рисунки 8 для индуктора и на Рисунке 9 для магнитов.

Распределение удельной мощности, в поперечном сечении нагреваемой детали без вращения, создаваемом индуктором, показано на Рисунке 10. Соответственно, распределение удельной мощности в поперечном сечении нагреваемой детали при вращении ее в магнитном поле, создаваемом индуктором и постоянными магнитами, показано на Рисунках 11 и 12 соответственно.

Если увеличивать расстояние между пластинами индуктора, то равномерность магнитного поля снижается, что показано на Рисунке 13.

Чтобы обеспечить однородное магнитное поле в области заготовки была исследована зависимость выделяемой мощности в заготовке от ширины индуктора для различной геометрии индукционной системы. Результаты для двух различных расстояний между пластинами индуктора представлены на Рисунке 14. Относительная мощность, выделяемая в заготовке, растет с шириной проводника, достигая насыщения. Это мощность больше для меньшего зазора между проводниками.

Рисунок 5 - Эскиз исследуемой системы

Рисунок 6 - Линии магнитного поля, созданные индуктором без вращения заготовки

Рисунок 7 - Линии магнитного поля, созданные постоянными магнитами без вращения заготовки

Рисунок 8 - Линии магнитного поля, созданные индуктором при вращении заготовки

Рисунок 9 - Линии магнитного поля, постоянными магнитами при вращении заготовки

Рисунок 10 - Распределение удельной мощности в поперечном сечении нагреваемой детали в магнитном поле, создаваемом индуктором

Содержание