钢管连续热处理中感应加热技术应用的数值模拟研究

发布时间：2017-08-29 12:36

  本文关键词：钢管连续热处理中感应加热技术应用的数值模拟研究

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【摘要】：随着我国无缝钢管行业的迅猛发展,高钢级无缝钢管成为社会的主流需求,在此需求下,无缝钢管调质热处理成为越来越多的钢管企业考虑的处理工艺。而作为清洁环保的感应加热技术,在钢管连续热处理过程中的应用研究也迫在眉睫。由于对感应热处理生产线中的重要参数进行数值模拟,可以对实际技术与设备的开发起到指导作用,提高开发的效率、解决设计成本高、经验数据不准确等缺点。因此,本课题将连续感应加热的数值模拟方法应用到实际的钢管生产过程中,发现并解决了现阶段存在的问题,对实际生产有重要的意义。本论文基于上述的原因与意义,简单阐述了电磁感应定律、集肤效应、透入深度、圆环效应、端部效益等电磁感应加热的基础理论,并具体计算了感应热处理生产线中的能量参数与能量损失,结合生产实际分析计算了感应加热电效率与各参数的具体关系,结合常见的有限元数值分析方法对感应加热原理在钢管热处理生产线中的应用进行了理论与方法的介绍,分析了感应加热技术在连续热处理生产线中面临的具体问题,并为下文的研究做了理论铺垫。利用Deform-3D软件,针对不同频率下的感应加热过程进行了模拟,分析了频率对感应加热影响,总结了设计中频率选择的规律。由于感应加热的过程是集肤效应与热传导共同作用的导致的,所以通过对感应加热过程的模拟,分析这两种加热原理对径向温度均匀性,即内外表面的温差的影响,此外对感应加热中出现的端部效应进行了数值模拟,并提出了优化方案;针对感应加热中加热炉尺寸的选择进行了研究,模拟了不同钢管外径与线圈内径的距离下的感应加热过程,分析了不同间距对加热效率的影响,提出了间距设计的一般原则。最后对模拟设计的感应加热方案进行实验验证。简介了感应调质生产线的设备与工艺,并使用现场的钢管感应调质线进行实验与数据采集,验证模拟得出的频率选择方案、端部效应优化方案的正确性。并检测验证了实验产品的性能。本论文通过上述的研究内容实现了无缝钢管在感应加热生产线上的加热过程的数值模拟与分析,为感应加热技术在钢管连续热处理生产线上的工艺设计与优化提供了指导性的意见。
【关键词】：电磁感应加热 无缝钢管 工艺实验 Deform软件 数值模拟
【学位授予单位】：机械科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG162.84
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 连续感应热处理生产线概述11-13
• 1.2.1 连续式热处理炉11-12
• 1.2.2 连续感应热处理工艺概述12-13
• 1.3 国内外研究现状13-15
• 1.4 课题的研究意义及内容15-17
• 1.4.1 课题的研究意义15
• 1.4.2 课题的研究内容15-17
• 第二章 感应加热原理17-26
• 2.1 电磁感应加热原理17-18
• 2.2 集肤效应与集肤深度18-19
• 2.3 感应加热的圆环效应、端部效应19-20
• 2.3.1 圆环效应19
• 2.3.2 端部效应19-20
• 2.4 感应加热能量参数20
• 2.5 感应加热的能量损失20-22
• 2.5.1 热传导定律21
• 2.5.2 对流传热定律21
• 2.5.3 辐射传热定律21-22
• 2.5.4 感应加热系统本身的能量损失22
• 2.6 感应器的电效率22-24
• 2.7 连续感应加热的数值分析方法24-25
• 2.8 本章小结25-26
• 第三章 数值模拟理论与数学模型26-37
• 3.1 电磁场理论与数学模型26-29
• 3.1.1 电磁场理论26-28
• 3.1.2 数学模型28-29
• 3.2 温度场理论与数学模型29-33
• 3.2.1 温度场理论29-31
• 3.2.2 数学模型31-33
• 3.3 耦合场理论与数学模型33-36
• 3.3.1 耦合场理论33-34
• 3.3.2 数学模型34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 感应加热数值模拟与分析37-51
• 4.1 Deform软件的介绍与模拟过程37-39
• 4.1.1 Deform软件的介绍37-38
• 4.1.2 电磁感应加热的模拟过程38-39
• 4.2 连续感应加热过程模拟的设计方案及模型建立39-42
• 4.2.1 设计方案39-40
• 4.2.2 三维模型建立及网格的划分40-41
• 4.2.3 材料性能参数41-42
• 4.3 模拟结果及分析42-50
• 4.3.1 频率的变化对加热过程影响的模拟结果与分析42-46
• 4.3.2 集肤效应与热传导对钢管加热过程的影响与作用46-48
• 4.3.3 钢管与线圈间距对钢管感应加热的影响48-49
• 4.3.4 端部效应对钢管感应加热的影响49-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 无缝钢管的连续感应热处理实验51-63
• 5.1 感应热处理设备51-57
• 5.1.1 感应加热电源52
• 5.1.2 感应加热线圈52-54
• 5.1.3 传动系统54-55
• 5.1.4 感应加热电容55-56
• 5.1.5 检测系统56-57
• 5.2 连续感应加热实验57-62
• 5.2.1 实验方案的制定57-58
• 5.2.2 实验结果58-59
• 5.2.3 结果拟合及分析59-60
• 5.2.4 性能检测60-62
• 5.3 本章小结62-63
• 第六章 结论63-64
• 参考文献64-67
• 致谢67-68
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况68

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本文编号：753333