（钢铁冶金专业论文）连铸方坯热送直轧过程的有限元模拟及感应补热参数选择.pdf

河北理工学院硕士学位论文 摘要 本课题来自唐山钢铁( 集团) 有限公司棒材厂。该厂早在2 0 0 0 年初即实现了 热送热装并取得了一定节能效果。但若能实现“热送直轧”则可取消燃耗极大的加 热炉，不但真正实现无污染的绿色钢铁生产，还能取得显著的经济效益。但连铸方 坯的热送直轧新工艺在大规模工业化生产中的应用我国迄今仍未见有成功的报道。 为在我国的棒材生产线上实现连铸方坯的热送直轧新工艺，须首先解决相关的 设备、工艺参数对感应补热效果、铸坯断面上温度分布的定量化影响。本文采用大 型工程计算软件a n s y s 对感应补热过程的输送传热问题、电热耦合问题进行了多 物理环境的有限元分析，所得结果对热送直轧新工艺的实施、感应加热装置设备参 数的选择、补热工艺参数的制定等不但具有理论指导意义，还具有重要的实际应用 价值。本硕士论文得到结果如下： 1 、本文成功的运用叫勿理环境法”实现了感应补热过程中多物理场的耦合问 题，有限元模拟的结果与实测符合的较好； 2 、整个热送直轧的感应补热过程是一个连续的整体，本文在模拟时也相应的进 行了连续化处理，使整个模拟过程随着工艺流程的变化而形成一个有机的整体，各 个阶段的模拟首尾相接，承上启下，使计算精度得到提高； 3 、对热送直轧过程中温度场进行模拟计算，得到的铸坯表面温度与现场实测基 本相符； 4 、本文利用有限元软件的后处理功能，实现了矢量场的可视化，直观地描述了 电磁场在铸坯内的分布状况，这一形象化处理对判断铸坯在感应补热时磁场变化对 补热效果的影响十分方便； 一 5 、本研究对影响感应补热效果的诸多因素进行了定量化分析，所得结果对新上 设备的参数选择，或对已有设备的优化改造均具有应用价值及指导意义。 本课题在如下方面尚需要进一步研究： 1 、本文以1 6 5 2 大断面连铸坯为研究对象进行了有限元分析，其它尺寸的铸坯 还需进行具体研究； 2 、本文给出的结果尚需在生产实际中进一步验证。 河北理工学院硕士学位论文 关键词：连铸方坯，热送直轧，感应补热，有限元 一i i 灏北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei t e mi ss u p p o s e db yb a rf a c t o r yo ft a n g s h a ns t e e la n di r o ng r o u ps t o c kl t d t h e f a c t o r yh a sa l r e a d yf i n i s h e dh o td e l i v e r ya n dh o tc h a r g i n ga n do b t a i n e de n e r g y s a v i n g e f f e c ti n2 0 0 0 。i tc a na b a n d o n h e a t i n gf u r n a c et or e a l i z e “g r e e ns t e e l p r o d u c t i o nw i t h o u t c o n t a m i n a t i o ni nd e e da n do b t a i nr e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i ti fw er e a l i z eh o td e l i v e r y a n dd i r e c tr o l l i n g b u ti th a s n tt h e r e p o r ta b o u tt h i sn e wt e c h n o l o g yo f t h ec o n t i n u o u s c a s t i n gs q u a r eb i l l e tm a d ew e l la p p l i e di nl a r g e s c a l ei n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o ni n o t l r c o u n t r y 。 f i r s to fa l l ，i tm u s ts e t t l et h ep r o b l e mt h a tt h ef i x i n g q u a n t i t y i n f l u e n c eo ft h e c o r r e l a t i v e e q u i p m e n t a n d t e c h n i q u ep a r a m e t e r s t oi n d u c t i o n h e a t i n g e f f e c ta n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nc a s t i n g b i l l e ts e c t i o n ，i f w ew a n tl 。r e a l i z et h en e w t e c h n i q u e o f h o td e l i v e r ya n dd i r e c tr o l l i n gi nb a rp r o d u c t i o nl i n e t h i st h e s i sf i n i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st ot h eh e a t t r a n s f e rp r o b l e ma n dm a g n e t i c - t h e r m a lc o u p l i n gi nm u l t ip h y s i c sf i e l d s d u r i n gi n d u c t i o nh e a t i n gb yg r e a te n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n s o f t w a r ea n s y s 。t h er e s u l t sn o t o n l yh a v ei n s t r u c t i o n a lm e a n i n g i nt h e o r yb u ta l s oh a v e a p p l i e d v a l u ei np r a c t i c et op u tt h e n e wt e c h n i q u ei n p r a c t i c e ，s e l e c t t h ei n d u c t i o nh e a t i n g e q u i p m e n t s a n dt e c h n o l o g i c p a r a m e t e r s t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、毪s u c c e s s f u l l yr e s o l v e dt h ep r o b l e mt h a tm u l t ip h y s i c sc o u p l e du s i n gp h y s i c s e n v i r o n m e n t si ni n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s s ，t h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t sa r ev e r yc l o s e dt ot h e m e a s u r e d v a l u e s ； 2 、t h ew h o l ei n d u c t i o nh e a t i n gp r o c e s si s a s e q u e n t i a li n t e g e r , s os e q u e n t i a l d i s p o s a l sa r ec a r r y i n go u ti nt h et e x ti no r d e r t om a k i n gt h es i m u l a t i n gp r o c e s sf o r m i n ga w h o l e f o l l o w i n gt h ec h a n g eo ft e c h n i q u ep r o c e s s 。t h eb e g i n n i n gc o n n e c t e d w i 也t h en e a r e s t e me a c ho t h e ri ne v e r yp e r i o d ，t h es i m u l a t i o n p r e c i s i o na r ei m p r o v e d ； 3 、t h er e s u l t st h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nc a s t i n gs q u a r eb i l l e ta r es i m u l a t e d a r ea p p r o x i m a t e l yc l o s e dt ot h em e a s u r e dv a l u e si nh o td e l i v e r ya n dd i r e c tr o l l i n g ； 4 、珏m a d et h ev e c t o rv i s u a la n dd e s c r i b e dt h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i nc a s t i n gb i l l e tu s i n gt h ep o s tp r o c e s sf u n c t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，i ti sv e r y c o n v e n i e n c et oe s t i m a t et h ei n f l u e n c et ot h ei n d u c t i o nh e a t i n ge f f e c tb e c a u s eo fm a g n e t i c f i e l d c h a n g i n g ； m i i i 一一一 塑j ! 堡王堂堕堡主堂焦堡塞 5 、t h et h e s i sm a d eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y s i st oag o o dm a n y i n f l u e n c ef a c t o r si nt h e i n d u c t i o n h e a t i n g ，t h er e s u l t sw i l lh a v ea p p l i e dv a l u ea n di n s t r u c t i o n a lm e a n i n gt ot h en e w e q u i p m e n t sp a r a m e t e r ss e l e c t e da n do l de q u i p m e n t so p t i m i z e d t h e r ea r es o m e q u e s t i o n sn e e d e dt od e e p l ys t u d y ，a sf o l l o w s ： l 、i t m a i n l y s t u d i e d1 6 5 2c o n t i n u o u sc a s t i n g b i l l e t ，s oo t h e rs i z e sa r en e e d e d c o n c r e t e l ys t u d y ； 2 、t h er e s u l t sa r es t i l ln e e d e df u r t h e r p r o v e di np r o d u c t i o n k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gs q u a r eb i l l e t ，h o td e l i v e r ya n dd i r e c t r o l l i n g ， i n d u c t i o n h e a t i n g ，t h ef i n i t ee l e m e n t i v 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 俦及取得磺究成慕。尽我所知，除了文中特裂加以标注季g 致瀵的圭鬯方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成巢，也不包含为获得 河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作的闻志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了滚意。 签名： 基裳：j 一胃一基 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北瑾工学院有关保餐、使震学位论文酶裁定，鼙： 学校有权傈留送交论文鲶复印件，允许论文被查阕秘借阕；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 傺密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导雾蕃签名： 基期：j 月一霾 河北理t 学院硕士学位论文 引言 本课题来自唐山钢铁集团股份有限公司棒材厂。唐钢棒材厂于9 6 年6 月份建 成投产，是具有九十年代水平的全连续棒材生产线，产品为中1 2 4 0 m m 的螺纹钢和 1 4 5 0 r a m 的圆钢。该厂早在1 9 9 9 年即实现了连铸坯的热送热装并取得了一定的 节能效果。但若能实现“热送直轧”则可取消燃耗极大的加热炉，即热轧产品不必 再用燃炉加热，从而真正实现无污染的绿色钢铁生产；不仅如此，对年产8 0 万吨的 唐钢棒材厂( 一线) ，若实现“热送直轧”每年仅烧损这一项就可节约钢材2 0 0 0 多 吨( 约5 0 0 余万元) 。节能方面带来的年经济效益就更为可观( 粗略计算约达1 0 0 0 万元左右) 。所谓“热送直轧”就是将热送过来的连铸坯经电感应补热使铸坯达到 轧制所要求的温度。这一新工艺在日本、英国已取得成功，特别是日本，将热送直 轧工艺用于圆坯的感应补热，效果十分理想。而我国至今仍未见有成功应用的报 道。由于与连铸配合不当，我国绝大多数轧机还不能实现直接轧制，虽然也曾出现 一些小厂试图利用( 或生产) 感应透热炉进行直轧试验，但或无设计能力，或在设 计中缺乏足够的理论指导，使感应透热装置远离其最佳或良好的工作状态，不能发 挥其固有优势。因此，对此顼技术进行深入的研究，建立一套行之有效的方案并加 以推广，无论对于国民经济的提高还是企业的发展，都具有深远的意义。 众所周知，企业要在市场竞争中保持优势，减小能耗、降低成本、提高生产率 是企业可持续发展的关键。连铸坯的热送直轧新工艺已成为节能降耗的一条重要途 径 1 】。采用热送直轧工艺可达到有效利用连铸坯余热的目的，它不但可节省能源、 缩短生产周期、还能提高生产率、成材率等等，使产品成本大大降低 2 1 ，具有多方 面的经济效益。 连铸方坯在轧制过程中由于边角部位热量易于散失，使该区域温度明显低于中 间部位，致使边角部的温度不能达到热轧所要求的温度。因此，对边角部进行局部 的补偿加热，使铸坯在正常的轧制节奏下就能快速加热到所要求的温度是热送直轧 能否成功的关键。热送直轧的感应补热方法同其它方法相比，具有加热时间短，效 率高，便于控制温度，保证加热质量，改善劳动条件，易于实现自动化等优势。对 感应补热技术潜在用途的分析表明，感应补热既具有技术优势，又具有经济效益。 河北理i ：学院硕士学位论文 对瑟露较大粒1 6 5 2 铸坯来说，翔热囊量弱好琢及感应装甏效率的毫低怒餐量感 应透热是否可行的关键因素。根据电磁学及传热学基本理论，感应加熟主要依据 “电磁感应”、“集肤效应”、“热传导”三项基本原理口1 。置于交变磁场中的连 铸坯，交予电磁感应霖簸接在铸坯爨襄产生漏漶露发热。西藏，对感应 热技术豹 研究也就怒对铸坯在感应线圈中的温度场与电磁场相互作用的福合场的研究。尽管 感应补热的基础理论已较为成熟，假迄今感应补热技术在连铸方坯热送直轧工艺中 的残功应鼷莺内还没有先镁。这主安是霾走彩旗涟铸菇感应羚熬效果於毽豢_ 一分复 杂，而在应用方面又缺乏深入的理论研究，无法指导设备参数的选择及工艺过程的 确定。 经测箨，蓑感应李 热懿效辜遗低，：翼 | 感应季 熬涛失去其缀丈撬势；爱磐不能对 补热效果进行灵活控制则会影响生产的正常进行。因此感应补热被认为是热送直轧 过程中最为重要的一环，而对补热质量的控制又是感应补热效果的关键因豢。 壹上述，了解铸褒感应孝 燕过稳中有关参数瓣交位囊锋辩耀夏裁夔关系爨及对 热送直轧过程中感应补热装置系统效率的影响魁十分重要的。对感应补热过程中的 电热耦合问题进行深入的理论研究，寻求各主爱闲素对铸坯补热效果的定激化影响 麓簿，以达弱在较蠢豹系统效率下躲较驽熬毒 热爱量，倭成为一矮亟镑麓凌载阗 题。 本研究利用大型工程软件a n s y s 对连铸方坯的燕个热遴直轧过程进行一体化 的多耨壤舔境豹霄瓣元模援在誉蠹羚熬文献中滏宋瑟骞关翡掇遵。本文采翔褥参数 化的a n s y s 有限元稷序设计方法时感应补热过程的输送传热问题、电热耦合问题 的求解，对热送直轧新工艺的实施、感应加热装覆设备参数的选择、补热工艺参数 静麓定等不毽吴有理谂摇导意义，逐其有重要熬实嚣应弱徐德。 一2 - 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 l - l 连铸坯热送直轧工艺的发展 1 11 连铸坯热送直氧的特点 热送廉轧是连铸遴别轧钢炉前的高温铸坯，不经加热炉加热，通过电感应快速 搬热后，谶行直接轧制。 鼙麓，连铸坯热邀赢轧技术的弓 丽程度已簸为衡量钢铁生产技术承平的叛技术 指标，它推动了炼钢一连铸一轧钢生产的一体化，加速了钢铁生产向连续化、低成 本和赢瑷整方向发展。这罩孛方法与常规的将铸坯冷却到室温经清理再加热厝轧制的 方法稻沈霄许多优点哆 节约能源； 缀短生产罔期； 提离生产率； 避免冷装在加热列直接轧制澡度所产生的瓴化损失，提高成材率： 对多数珠光体型铸坯，可避免在空冷过程中产生自点，无嚣附热缓冷 辩予马氏俸台盒铸坯，可班避免空冷过稔中产生淬裂，无需附加热娥瑾； 多方面的经济效益，使产品成本大大降低。 正是囊予上述优点，使铸坯热邀意转技术不仅对于簧钢厂，丽显对特钢厂均畜重 要意义。但是要实现遗铸坯的燕送赢轧，必须满足几个条件： 提高连铸机的铸造速度，并风铸出高温的涟铸坯，与赢接轧制的轧制时间相 适应，以瀵足连铸囊接袈制不阕叛的生产工装滚程； 遂铸坯无缺稿； 用于直接轧制的铸坯其温度不仅要满足开轧温度，而且断面温度要均匀； 剥翅连铸扳坯露，扳宽应与援厚辐适应； 避免铸坯在高溆停留时间长而导致晶粒张大，影响轧材性能： 要求生产管理署口运输上能保证直接轧制的连续化； 含理懿总体毒蓑楚实现连锋矮热送壹车l 工芝豹兹捷。 一3 河北理c 学院硕士学位论文 1 1 2 连镑坯热送壹巍涎謇蠹努发鼹凝嚣 t 9 8 1 年新日铁菜厂在世界上率先实现了板带铜的连铸一赢接轧制( c c d r ) 工 艺，该工艺提高了过襁连续化程度，简化了生产工艺流程和生产周期，节能、节 材、及节约生产费用瓯到1 9 8 4 年7 冀，鬃诗载镪超过2 0 0 万吨，蠹# l 率7 0 ，链 耗8 1 - 9 3 k w h a ，仅为传统法的六分之一。目前，日本的大芬、室兰、名吉屋、和 歌山、鹿国及加古川等厂的热带轧机都已基本实现直轧生产，有些厂的直轧率已达 1 0 0 。麓爨厂厚援、竣薅厂霉板及大分厂厚叛等_ 蓬乾率也达劐3 0 - 0 0 以上。 美国n u c o rc o r p 公司的诺福克钢厂是实现逐铸直轧的世释首批先进工厂，有两 个分厂。一分厂用天然气的加热炉加热，铸坯可热装也可冷装。二分厂用感应加热 装置热热，实瑗在线生产戆连铸塞莪。铸坯入感痤加蒸器为9 1 5 。c ，热熬终了为 1 2 5 0 ，加热时间5 0 s ；电耗6 0 k w h t ；感成加热器产能2 0 6 0 t h ，设备利用率 8 5 ，煦轧率8 5 9 0 ，成材率大于9 3 ；氧化铁皮厚0 5 6 r a m 。一分厂用火焰炉加 熬，熬装攀4 5 ，2 ，冷坯窥熬逐郡装夔平缘热糕1 6 8 8 。5 7 ) ( t 0 3 k j t ；平均戴豫皮簿凄 0 8 6 m r n ，两厂对比，二分厂由于采用直轧工艺，生产成本可下降￥4 0 t 。 国外钢铁企业，无论老厂改造还是新厂建设，普遍都采用了利用感应炉进行补 热戆壹袋麓毒技术弗，秘。8 0 年饯屠期，铸坯壹接筑锻技术已经成熬潮。嚣 l 蓼这一技零 的应用程度已成为衡擞钢铁生产技术水平的新技术指标，它推动了炼钢。逐铸轧钢 车间的一体化，加速了钢铁生产向连续化、低成本和高质量方向发展，箕优越性是 显露萎觅耱。 此技术在工业先谶国家已得到游及，特别是在精锻领域，有取代燃料炉的趋势 9 l 。在我网，直轧工芑予1 9 7 8 年在攀钢轨梁厂浆用，1 9 8 0 年7 1 2 月轧制6 5 2 万 楚，建镳节憝为1 6 8 g j 。舞采墼枣菩氇采矮壹接筑镄，l 毫镄节麓可这3 g j ，疆藏穗率 可提高1 6 9 ，经济效菔将更加显蒋【1 。 1 9 9 2 年8 月1 2 1 6 日沈阳铡铁厂对1 0 炉2 4 2 支1 4 0 2 2 6 0 0 m m 铸坯进行了直 菝茕割生产试验，入慧疲器霾雩熬瀑浚离这9 0 0 ，壹季l 藏露鬈1 9 4 支( 重7 4 t ) ，壹 轧率8 0 2 ，效果极为显著 t u 。但该热送直轧工艺却没有经过大规模的工业化生产 的考验，该厂现已倒闭。 4 - 河北理二 学院硕士学位论文 但现在由于与连铸配合不当，我国绝大多数轧机还不能实现直接轧制，由于此 项技术在我国起步较晚，时至今日仍不为许多用户所了解。虽然也曾出现一些小 试图利用( 或生产) 感应透热炉进行直轧试验，但或无设计能力，或在设计中缺乏 足够的理论指导，使感应透热装置远离其最佳或良好的工作状态，不能发挥其固有 优势。因此，对此项技术进行深入研究，建立一套行之有效的方案并加以推广，无 论对于国民经济的提高还是企业的发展，都具有深远的意义。 1 2 电磁感应加热技术在热送直轧过程中的应用 1 2 2 感应加热技术在连铸坯中间补热过程中的应用 1 2 2 1 概述 热轧铸坯在热送过程中由于边角部热量的散失，使其温度较中间部位有明显的 降落。若能设法使铸坯边角部温度再加热回升，使整个铸坯里外温度一致，且都达 到轧制工艺要求的温度，将产生巨大的经济效益。研究表明，采用感应加热技术能 较好的达到这一目的。 电磁波在导电媒质中传播时，电磁能将转化为热能，这一感应加热原理早在一 个世纪前就被利用，制成电磁感应加热器，至今在许多方面有了很好应用，感应加 热这一技术也得到了很好发展。但将感应加热技术应用于连铸坯边角部的补热仅始 于前些年，在这方面起步比较早的有法国、日本和美国的一些公司【1 2 】。 感应加热装置设在连铸和连轧两个工序的中间，作用是再提高热铸坯的温度， 以补偿铸坯在输送过程中的温降，满足轧制需求，所以称中间补偿加热装置。感应 透热工艺流程如图1 1 所示。为保证铸坯的稳定运行，拟安装数个感应器，每两段 感应器间以导辊输送铸坯。 连铸坯 图1 1 感应补热工艺流程示意图 f i 9 1 1s k e t c h m a po f i n d u c t i o n h e a t i n g p r o c e s s 感应器 5 河北理工学院硕士学位论文 i 2 2 。2 感应 熟装置鹣特点 感应补热方法同熬它补热方法相比，有其突出的优点【1 3 l ： 节约能源感应补热装置的效率比一般燃料炉的效率离。 无氧纯或少氧化感应静热由予升温速发快、炉艟西积小，氧化菲常轻。以 碳钢为例，氧化皮量由燃料炉的2 3 下降至0 0 5 , - 一0 1 。这除可节省大量钢材 外，也大大舱提高了孰件尺寸精度及改善其内在艨量，且提巅了轧辊的使用寿命。 褥于实现瓤藏纯、鑫动纯搽作，工艺重鬣性好、劳动强度小。 艨应补热装置体积小，占地面积小，故便于设在生产线( 流水线或自动线) 上使用。 无离温、少污染、劳动环境好。 好的感应补热装置应达到以下三个方面的要求： 瀵足生产要求，即达到所需要的生产率秽褥到工艺要求鲍湿度、溢度均匀度 和枣h 热时间等，生产出离质量的产黼。 经济技术指标先进，如能耗低，材料省，操作费用少，不污染环境簿。 搜鼹方便、再嚣。 感虞补热装置与燃料炉楣眈，它在满足以上溪求方面有突出优点，毯怒，要充 分发挥遂魑优点，还必须进行合理的设计。 l t 2 2 3 黪农於热装置在设计时应注意的润题 1 ) 合瑷的选择设备的功率或频率 功率的优化选择主要取决于生产率1 4 1 ，有如下公式： 只：c a t g 或芝：c a t n k w( 1 ，1 ) 。t r 。 聍 式中c 铸坯的比热，k j ( k g 。c ) a p 一铸蟋的温舞， o 一铸坯豹质量，逛 “ 卜一加热时间，s n = g ，t _ 一生产率或铐坯移动速度，k e g s 一6 河北理工学院硕士学位论文 翠感应嚣总效率，r = r 。tr r , 璐为箕毫效搴，蹿，为热效率 为保证温度均匀度考虑，要求心表温差不能过大，为此，送电功率或升温遮度有一 个上限值，即铸坯在炉内的加热时间不能太短。所以，生产率( 或铸坯移动速度) 一定时，所震功搴公式( 1 i ) 也靛定下寒了。为了操迁要求麴心表温差哭骞靠延长 加热时间，及相应的增加感应圈的长度。必要时( 线圈长到缩构上不合理时) ，还 需要增加炉子的台数( 或线圈的个数) 。 频率熬优诧选搭叛决于两令嚣豢：李 熬装鬟的窀效率帮心袭滠差。蘑菇主要反 映在电流透入深度上。 将上述两个因素联合考虑，则耨出矩形截面铸坯的选频裁圈： 堡肇f s 一6 x 1 0 6 p 2 l ，2 ) 肼b ；“一以b ； 式中b 2 矩形铸坯截面的厚度，m 羁，p ：分聚凌线霾键管静电疆率嚣铸坯酶毫避攀，q r l l u ，铸坯材料的相对磁导率 2 ) 确定满足补热质量的最短时间 为绦涯心表温差不大于绘定蕊，应逶当菝裁舞燕速塞。警然，秀滢越疆溢差会 越小，但送势必会降低炉子的生产率和加重铸坯的氧化。为此，应求出在允许温度 下的最短加热时间t k 。 露一般方影截嚣铸坯热燕至锻逡温度，鼙1 2 5 0 1 3 0 0 。c 辩，鹣公式蜀麓纯热 下： at = 5 0 。c t k = 7 3 1 0 4 d ； s( 1 t 3 ) a t = 1 0 0 t k = 6 o l 霹 s( 1 。4 ) t = 1 5 0a c t k = 3 7 1 0 4 d s ( 1 5 ) 式中，o ，帮方坯砉孽算成等面积的骚瓣壹经，m d ；= d ：一a ：为方坯的计算赢径，1 1 1 3 ) 线圈导电管的优化设计1 5 , 1 6 1 7 - 河北理工学院硕士学位论文 掇攒邀磁场理论，交浚电滚遭导体时会产生“集获效应”。电流鳃额率越裹， 其集肤的程度就越严踅，导体的有效截面积就越小。又因为感应圈呈环形结构，电 流的分布还存在“圆环效应”，即电流趋于环形导体的内侧。频率越高，其“圆环 效应”裁越严重。由予隧上嚣令效应弱存在，其露体育效赘截嚣也藏主要取决予感 应圈内侧的截面。 实际应用中，导电管截面的设计、选取，娶兼顾电流的大小和密度的分布、材 艇成本以及瘸工工艺譬冬耱嚣素。为了濂是毫浚密度弱合理分布及耪瓣成本帮工艺 制作的合理要求，设计了感应圈四髓不均匀的导电管，使其肉蹙厚度充分满足电流 密度合理分布的要求，淇余三侧壁厚又能满足材料成本和工艺制作的合理鬻求，从 囊簿决了上述难戳谖秘瓣矛蘑。 这种改进设计后的导电管，由于其内侧壁的厚度比通用规格的方铜管有所增 加，使铜管的有效截麟得以增加，电流密度得以下降。仅感应圈铜管的铜损耗就减 少镶多，占装萋蕊功率戆大终2 0 。节麓效果豢著。毒些浚诗喾可遵蓰这一慝路， 设计出针对不同品种的不等壁厚的导电管截面已满足市场的需求。 4 ) 改善功率因数掇高电效率 在交滚毫臻墨，魄功率是壹蠢功功率察无功功率台袋翡翡率，毫凌率徐称援在 功率，有功功率是用泉机械做功，滗功功率用来建立磁场，没有磁场，这媳设备就 不能工作。丽磁场的能爨是由供电系统( 电源) 供绘的，这个磁场的能量我们称无功 功率。鸯功功率与褪在功率静魄餐朝骰功率因数，氇豫力率。黪应螽熬擎瘸子藩注 负载，供电系统除了供给它们有功功率外，1 还要供给大量的笼功功率。所以无功功 率不能说怒无用功率，它是电感性设备正常工作所必不可少的条件。 蟊暴髑电设备蔽浚豹无功功率太多嚣于，功率黧数会编低 1 7 , t 鹫，涛有胃辘造残魏 下后果： ( 1 ) 降低了发电机寄功功率输如，使发电机效率降低，发电枫成本掇赢。 ( 2 ) 线路蒺失增大，造成鼹毫设备运行怒能。 ” ( 3 ) 线路损失增大的同时，造成用电企业耗电量增大，生产、运营成本提高。 ( 4 ) 降低了变电、输电设备供魄耱力，使嘲鼹奄力损耗增匀旺。 8 一 河北理工学院硕士学能论文 可见，挺毫功率嚣数不仅对本金鼗，两且对黪个电力系统瓣经济运行畜薏重大 意义。提高功率因数的途径主要有：提高用电设备的自然功率因数及加装电容器以 补偿提高自然功率因数。在本篇文章中，重点探讨加装电容器以补偿提高囱然功率 霆数。途径摇下： 感性无功功率的电流( 感性电流) 向量滞后于电压向量9 0 。，容性无功功率的 电流( 容性电流) 向量超前电压向擞9 0 。，二者方向相反。这样感性负载需要的无 功功率哥以枣接窝遗容器藏鳇无功功率寒享 偿，驮嚣减少了嚷瓣弱无功浚滋。采雳 电容器作无功补偿，其设备易购、损耗少、投资少、效益大，便于安装和维护。 采用电容器补偿，除改善力率、减少损失，增高电压及恢复供电容量外，其经 凑效蕊雯为霞著。 1 3 热、电磁模拟技术的发展 1 3 1 有嫩元方法概述 有陵元法是求簿数理方程豹一种数值解法，怒解决工程嶷器阀题静释有力的 数值计算工具。有限单元法建立在变分原理及醚城剖分和插慎的基础上，即从变分 原理出发，求褥与微分方程边值闯熬等价的变分瓣题( 通常是二次泛函裳极值鲶问 题) ，然届逶过分医搔值，把二次泛函的稷值闽遂化为一组多元线性代数方程来求 解【1 9 1 。 这种方法大约有4 0 年毂魇史，它首先在本墩缀4 0 年代被提爨，在5 0 年代开始 用于飞钒设计，近2 0 年来得到了充分豹发展，它把里兹法与有限差分法绪合起来， 在理论上以变分原理为基础，在具体方法上则利用了差分法离散处理的思想。首先 把求解微分方程的边镶阀题化为等馀的泛函求援馕艇变分阍题，然后涛场域划分为 有限个小熬单元。这样，便把交分润题近似转化为有限空闻中的多元函数求极值问 题，将变分问题的近似解作为所求原微分方程边德问题的近似解 2 0 。 有限元法挺求解嚣域看终有许多小熬节点鲶夏耀连接静予域( 蕈元) 艨鞠成， 其模型给幽基本方程熬分片( 子域) 近似解。由予单元( 子域) 可以分割成各种形 状和大小不同的尺寸，所以它能很好的适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复 一9 一 河北理工学院硕士学位论文 杂的边界袈馋。再热上它袁成熟黪大篓敦乒 ：系统支持，使葵巴成为一耱 常受欢逐 的、应用搬广的数值计算方法。 1 3 2 有限元在求解温度场及电磁场方面的应用 嚣嚣，有骧元法巴广泛应罔予各种场分李厅中，鲡渥疫场、电疆场等。麸数学费 度讲，吾类场问题的徽分方程是一样的；从物理意义上讲，对于不同性质的场，其 微分方程中的物理参数怒不同的【2 1 】。 1 3 2 、l 驽隈元注求解瀑凄殇霹翡应弼 研究热量的传递规律和温度在物体内的分布状况，即通常所说的温度场。只要 有温差就会有热量的流动，因此，需要研究两个问题：第，温度在一个区域( 或 臻餐) 悫豹分毒燕律；第二，一点耱湛发篷露麓麓交纯痰律。有了溢度翡分蠢耪变 化规律就可知温差，就可以着手解状问题。 用有限元方法求解温度场时，场变量是温度，是标量场，其物理参数熄热传导 系数2 2 0 引。霹藏，刘分零元、隶节患裁蔫囊箨、求擎元爨发簌阵势穗袋蕊澍度矩 阵、引入媳界条件、求解方程组等一系列方法，者| j 能用于求解温度场。 r 1 3 2 2 有限元法在电磁场中的应用 宅磁分琚蠢莲实舔上是求簿绘定透赛条 孛下蠢每麦竞薪韦( m a x w e l l ) 方程组翊 题。电磁问题的每一种严格的求解方法都有它的局限性，因许多实际的电磁问题通 常很难求得精确的解析解，所以近似的数值解的方法随着计算机的飞速发腰而迅速 发震起泉臻稍。 有限单元法在电磁领域中的应用始于6 0 年代中期，最初鼹用来解决电机工程中 具有复杂边界条件的静电场、静磁场及电流场的问题，即挝游拉舞方程的边值问 题。嚣蓊，蠢蔽元法跫在工程电磁随题豁分橱中褥蜀鑫益广泛鞠应用。惑藏搬热问 题已应用肖限元分析樽到了成功的结果。 l 。3 ，3 a n s y s 在求麟滠度场及电磁场方蘑鲍应爝 1 3 3 ，la n s y s 应用穰述 在工糨实际应用的诸多领域里，为寻求可靠的、最优的工艺和技术方粲，以往 蕊凭售裁绞羧熬壹觉、经验、实验帮“尝试法”隧蓑工艺要求躲曩蓥严掇，追求质 1 0 - 河北理工学院硕士学位论文 量所引发麓竞争基臻激烈，已开始嚣彳罨力不麸心。骥若剥鼹诗冀祝这一党遗手段， 并辅以相应软件，进行虚拟加工，则可提高加工质量，省时省力，降低成本【：2 5 】。 a n s y sl e 是在这样一种大前提下，应运而生。它是目前世界上增长嚣快的c a e 敬 譬， 曼是迄今为止繁赛范嚣建唯一逶过i s 0 9 0 0 1 度量谈透戆分叛漫诗软馋，是美 国机械工程师协会( a s m e ) 、国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证 的标准分析软件。在中国它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证，并 在1 7 令帮蚕难广镬鬟戆分拣较释，麴畜数百家广大懿中嚣曩户群。 随着a n s y s 版本不断更新，a n s y s 的应用领域也目益广泛。作为融结构、 热、流体、电磁、声学于一体的大擞通用有限元软件，可广泛用于核工业、铁道、 石潼佬王、靛空靛天、零惩藏裁透、黢源、汽车交遗、基耱军工、趣子、主本工程、 造船、生物医学、化工、地矿、水利、日用家电、等一般工业及科学研究领域。 l3 3 2a n s y s 在温度场中的应用凹】 a n s y s 俸麦象鬏豹毒羧元努掇欲 譬在筵瑾热分辑润题方嚣其畜强大戆功缝，焉 且界面友好，易于掌援。您可以随心所欲地选择图形用户界面( g u l ) 或命令流方式进 行计算。蕻快速的网格划分功能以及强大的结果殿处理功能，都会让人倍感亲切。 图1 2a n s y s 热分析产品 f i g1 2a n s y s t h e r m a l a n a l y s i sp r o d u c t 河北理工学院硕士学位论文 在a n s y s 公司捺幽蠡勺众多产晶中，有五种产品能够进行热分辛厅，如图1 1 ，包 括 a n s y s m u t i p h y s i c s 、 a n s y s m e c h a n i c a l、a n s y s t h e r n l a l 、 a n s y s f l o t k a n 、a n s y s e d 。 a n s y s 送行燕分析计算躲基本原理是将所处理的对象划分成有限个荦元( 包含 若干节点) ，然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的 热平衡方瑕，出此计算出各节点温艘，继而进一步求解出其他翊关量。 惹的来说，单元潮分褥越，j 、，计算精凄裁越离。程根据鼹体情况可以灵活的改 变单元的尺寸。比如，在形状复杂域温度变化剧烈的地方把单元划分得小一些；而 在其余地方则可以将单元适当划分大一些。这样，我们无须增热单元和节点即可以 提高计算精废。 1 3 3 3a n s y s 在电磁场中的应用2 q 可对电磁场进行分聿斤懿有限元软传很多，冀中以a n s y s 的使用客户最多， a n s y s 的分析颁域缑广泛，电磁场分析只是a n s y s 中的一个产品。a n s y s 可对 如下的电磁场类型进行分析：二维和瞬态的磁场分析；基于边界( e d g e b a s e d ) 的三 维静态、游毪霸瞬态磁场分辑以及蒸于节点( n o d a l b a s e d ) 黥三维磁场分掇( 静 态，谐控和瞬态) ；电场分析；另矫还有用于分析和计算电磁场或辐射波黝高频电 磁场分析。 a n s y s 电磁场分掇，荚基本簌疆是褥所处瑷的踺象首先分成有限个纂元( 惫 含若干节点) ，然后根据矢量磁势域标量电势求解一定的边界条件和初始条件下的 每一节点处的磁势或电势，继而进步求解出其它相关量，如磁通密度，电磁场储 驻等。 与其它a n s y s 有限元分橱产鼎一样，a n s y s 电磁场分析同样提供了图形用户 界面与命令流两种方式供用户选择。 强懿掰达，a n s y s 奄磁缘分毫蓐蓠毙求舞整奄磁场兹矢鳖磁势葙标曩毫势，然后 经后处理得到其它电磁场物理量，如磁力线分布、磁通量密度、电场分布、涡流电 场、电感、电容以及系统能量损失嚣。 l ，3 ，3 ，4 a n s y s 在藕合场孛鲍应爱湖 1 2 河北理工学院硕士学位论文 a n s y s 不仅笼麟决魏耱兹熬分辑瀛题，还缝解凌与热穗关瓣葵戆诸多瓣题，熟 热一应力、热一电、热一磁等。我们称这类涉及两个或多个物理场相互作阁的问题 为祸合场分析。a n s y s 提供了两种分析耦合场的方法：直接耦台与间接耦台。 壹援糕台餐法熬藕合单元包含所有登罴躲叁密度，仅仅遴过一次求鬃黢憝褥出 耦合场分析结果。这种方法实际上怒通过汁算包含所有必须项的单元矩阵或单元载 荷向量来实现的。 阉接勰合法又称摩贾藕舍法，遽过把纂一次搦努援蕊缝聚 乍为第二次场分褥懿 载荷来实现两种场的耦合。例如热一应力分析是将热分析得到的节点温度作为载荷 施加在后续的应力分析中来实现耦合的。 圈1 1 3 为阕续藕合滚数据滚程鼙，竞选季亍分拳厅l 靛诗霎，产生缍鬃文 孛i 。然磊 将其载入列分析2 中，嫩行计算后，最后形成结果文件2 。 匿1 3 闰接耦合法数拶漉程匿 f 逗1 3d a m f l o w o f m d i n c t c o 印l m g m e 馥o d - 1 3 一 河北理工学院硕士学位论文 第二牵：! 薹度场及毫磁螨墓磁理论解辑 2 。l 连铸方坯传热问题的鸯隈元勰析 2 t 。1 毂述 本文所研究的是瞬态温度场，即一个区域内的温度分布随时间变化，此时，温 度t 不仅怒位置的函数，还是时间的函数拇1 ，即 t = t 叁，y 2 ，t )霍j ) 为了形糠的描述淑腹场的分布状态，与地凇豳中的等高线、重力场中的等势线 一样，本文一般采用温度等值线来撼述温度场。对于瞬态温度场，温度等毯线随踺 蕊纛变纯。磐翦新述，热传导与滠整霄关，瀑蓑簸丈黪方淘，氇藏是黄熬最抉蕊方 向，或者说热流量最大的方向。这个方向应当魑与温度等值线蕊直的方向，在场论 中耀数学式予表示为 g f 羽：娶； 侧 q 2 ) 其中，g r a d t 是场论中描述场变量随位置变化的娥大变化率及篡方向的符母，叫做 嚣凄。程溢度囊孛嘲鞭溢疫撵囊，它爨一夸矢量，其大枣为3t 3n ，蓑方瀚是逶道 该点的温度等值线的法线方向n 。肖了温度梯度就可以知道热流在温度场内传导的 速率和方向了。 2 t 。2 热传导靛基本虢念和定律 2 1 2 1 热传导 热量由物体鲍一部分传到另帮分，或出一令妨馋传劐与其接触静熨媲体鲍 传燕现象嗣熬传导。 1 热传导的基本定律傅立叶定律 簿立时觳谩：在肇俊时闺内通过擞元等湛甏d a 於热量d q 与瀑凄梯壤烧正比， 静 4 d q = - k 堡n d a ( 2 3 ) 河北理工学院顾士学位论文 式孛“一”号热燮从漫疫裹瓣圭 奠方滚向漫泼低麓建方，荚方两与遗凄横度蕊方 向榴反： k 传热系数，它是表征材料导热能力的物理参数，w l ( m 2 k ) ； _ 3 t 一湛度场撵褒； n 等温面法线方向的单位矢蘸。 导热暴数k 不仅爨枣孝料蕊异，辘是商一茅孛栏料k 僮也睫滋度两变化。当k 僮随 温度变化不大时，可以当作常数处理，这就是线性阀题；当k 值必须以k 函数形 式出现时，就是非线性问题。 2 、热流强度 单位时间通过单位等温面积豹热量嘲骰热流强度。按簿立时假设，熟传导热流 强度的计觯公式为 口：d q i a 陡：- k l t 稚 ( 2 。4 ) 1 积 式中q 为热传导热流强度，单位为w m 2 。热传导热流强度q 是一个矢嫩，它在 三个坐标辅上的投影为 8 f q z 一“i 丽 a t qy k r 丽 0 t q ：一七r 瓦 2 1 2 2 对流换热 逶遗瀛藩( 囊空气、零、蘧嚣) 静滚孝嚣凝热夔褒象i q 皴对流换熬。 式对流换热的热流强度的计算公式为 q o = h ( v 。- t 。) n 式孛镬。对滚熬流强疫，w 照2 。 b 表面传热系数，w ( m 2 k ) t 。流体的平均温度， t 。霾嚣表嚣瓣湿凄， ( 2 。5 ) 按牛顿公 ( 2 6 ) 5 - 河北理工学院硕士学位论文 n 指向固体表面的单位法向矢量 对流系数h 是考虑了对流换热的各种因素的一个综合系数，这些因素是流体的 速度、流体的物理特性、换热表面的形状和尺寸等。 2 1 2 3 辐射换热 通过电磁波辐射而换热的现象叫