金属板带横向感应加热温度分布均匀性数值模拟研究

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横向感应加热具有加热速度快、加热效率高、环境友好以及易实现自动化控制等优点,不但可以节约能源、提高产品质量和生产效率,而且为开发组织性能优异的新材料提供了可能性。然而,横向感应加热存在边缘效应,即板带边缘与中间区域的温差大,使板带宽向出现温度分布不均匀现象。虽然国内外研究者提出多种改善边缘效应的方法,但仍无法达到工业应用的要求,板带宽向温度分布不均匀问题一直未得到很好地解决。如何解决横向感应加热温度分布不均匀问题一直是国内外研究的热点,也是横向感应加热技术实现工业化应用的关键技术问题之一。本文针对横向感应加热过程中板带宽向温度分布不均匀问题,在系统查阅相关文献的基础上,根据以麦克斯韦方程组为核心的感应加热理论和横向感应加热设计经验公式,建立横向感应加热仿真模型;采用数值模拟方法研究了导磁体和线圈结构及参数对温度分布均匀性的影响;对横向感应加热器进行优化调整。主要研究内容和成果如下:(1)横向感应加热仿真模型的建立。基于以麦克斯韦方程组为核心的感应加热理论,建立了横向感应加热的磁通分布、涡流分布以及功率密度等关键函数;根据金属板带加热需求和经验公式,计算得到线槽宽度、线槽深度、极距和线圈直径等重要参数;采用有限元数值模拟软件COMSOL建立了横向感应加热仿真模型。(2)导磁体结构及参数对板带温度均匀性的影响。针对板带边部与中心之间因涡流密度减弱形成一个低温区的现象,研究了相邻线圈间磁轭宽度、单线圈内磁轭宽度、边部磁轭宽度以及局部磁轭高度四种不同导磁体结构及参数对板带温度分布均匀性的影响。研究表明,对导磁体结构及参数进行调整后,低温区温度因涡流密度增大而升高,改善了低温区温度分布。(3)线圈结构及参数对板带温度均匀性的影响。针对板带边部温度比中间区域温度过高的现象,研究了线圈形状、线圈端部与板带边部距离以及线圈有效长度三种线圈结构及参数对板带温度分布均匀性的影响。研究得到,调整线圈形状、线圈端部与板带边部距离以及线圈有效长度对改善板带边部过热现象有明显的作用,使板带宽向温度分布更加均匀。(4)横向感应加热器优化调整。根据导磁体和线圈结构及参数对温度分布均匀性影响的研究结果,对横向感应加热器进行优化调整。结果表明,调整后板带宽向温度的最大相对不均匀度由调整前的39.73%降低到2.84%,温度的平均相对不均匀度由调整前的12.61%降低到1.20%,温度分布均匀性取得了显著提升。
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