基于ANSYS的电渣炉感应加热耦合场的数值模拟

论文摘要

随着冶金工业的快速发展,对于钢锭的使用则变得越来越普遍。而电渣炉则是生产钢锭的主要设备之一,因此,电渣炉的设计合理与否是决定钢锭工作情况的主要指标。在电渣炉使用过程中,由于所通交变电流高达24000A,因此在其周围就产生一个较大的交变磁场。根据电磁场理论,变化着的磁场会产生感应电动势,从而使涡流回路产生大量的热,即感应加热。大量的热能使零件表面产生严重的变形,因此研究感应加热的数值模拟是非常必要的。通过数值模拟不但能够反映出工件内部的电磁场,涡流场和温度场的变化规律,而且对于减少试验成本,提供感应器设计的指导原则和改进工艺参数具有实际的指导意义。本文利用ANSYS/Multiphysics软件模拟电渣炉夹具的感应加热的大致过程。ANSYS/Multiphysics软件用有限元方法可以模拟不同的物理现象,包括各种物理现象之间的交互（耦合）。本文中应用了电磁-热耦合和热-应力耦合。本文在计算感应加热时首先将电流和电源频率加载在导电柱和石墨电极的有限元模型上进行电磁谐波分析。程序计算了由电流产生的电磁场和夹具表面的涡电流所产生的焦耳热。接下来通过瞬态热分析计算了夹具的温度分布。由于夹具的电磁物性参数是温度的函数,因此电磁分析需要重复进行,这也会引起电磁场的变化,所以瞬态热分析也需要重复进行。如此,通过电磁和热的循环分析来修正前一次计算的感应加热的电磁场和温度场。然后文中还计算了冷却后夹具表面的温度场与残余应力场的分布。最后计算了施加电磁屏蔽极后夹具表面感应加热后的电磁场与温度场分布。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电渣炉及电渣重熔技术概述
• 1.1.1 电渣重熔技术
• 1.1.2 电渣重熔技术最新发展
• 1.1.3 电渣重熔技术的优点
• 1.2 电渣炉感应加热计算机模拟的意义
• 1.3 国内外感应加热计算机模拟研究现状
• 1.3.1 国内计算机模拟研究现状
• 1.3.2 国外计算机模拟研究现状
• 1.4 有限元模拟软件的介绍
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 感应加热模拟的有限元理论
• 2.1 表面感应加热过程
• 2.1.1 电磁转换与感应加热
• 2.1.2 感应加热后的冷却
• 2.1.3 表面感应加热的残余应力
• 2.2 电磁场的有限元解法
• 2.2.1 安培环路定律
• 2.2.2 法拉第电磁感应定律
• 2.2.3 高斯电通定律
• 2.2.4 高斯磁通定律
• 2.3 温度场的计算
• 2.4 变形过程中的传热问题的基本理论
• 2.4.1 瞬态传热问题的基本过程
• 2.4.2 初始条件和边界条件
• 2.4.3 传热问题的变分原理
• 2.4.4 传热方程的有限元离散化
• 2.4.5 瞬态传热问题的解法
• 2.5 残余应力场的计算
• 第3章 夹具感应加热温度场的模拟计算
• 3.1 电渣炉夹具表面感应加热问题描述与简化
• 3.1.1 问题描述
• 3.1.2 问题简化
• 3.1.3 材料参数
• 3.2 耦合场分析
• 3.3 边界条件与网格剖分
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 网格剖分
• 3.4 电磁场计算
• 3.4.1 推算施加的等效平均电流密度
• 3.4.2 整体模型的电磁场计算结果
• 3.5 夹具感应加热温度场计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 夹具冷却温度场的模拟计算
• 4.1 模型建立与网格剖分
• 4.2 边界条件与施加载荷
• 4.3 夹具冷却温度场的计算
• 4.4 夹具残余应力场的计算
• 4.4.1 耦合场分析
• 4.4.2 模型建立与网格剖分
• 4.4.3 边界条件与施加载荷
• 4.4.4 残余应力场的计算结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于磁场屏蔽的夹具温度场模拟计算
• 5.1 磁场屏蔽原理
• 5.1.1 低频磁场的屏蔽原理
• 5.1.2 高频磁场的屏蔽原理
• 5.2 模型的简化与建立
• 5.3 网格划分与边界条件
• 5.4 施加电磁屏蔽极的整体电磁场计算结果
• 5.5 施加电磁屏蔽极的夹具感应加热温度场计算
• 5.6 本章小节
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文