Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в тепловую при вращении постоянных магнитов вокруг цилиндрической загрузки

• Автор: Михайлов, Константин Александрович
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 166 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Обзор теории и практики индукционного нагрева цветных металлов,

постановка задачи повышения энергетической эффективности нагрева

1.1 Требования к нагреву, способы нагрева цветных металлов и их

сравнительный анализ

1.2 Способы нагрева алюминиевых заготовок

1.2.1 Нагрев в пламенных печах

1.2.2 Нагрев в печах сопротивления

1.2.3 Установки кондукционного нагрева

1.2.4 Установки индукционного нагрева
1.3 Сравнительный анализ энергетической эффективности способов
нагрева алюминиевых заготовок
1.4 Сквозной нагрев алюминиевых заготовок в соленоидальных
индукторах с продольным магнитным полем
1.5 Способы нагрева алюминиевых заготовок в поперченном магнитном
поле
1.5.1 Обзор технических решений с применением технологии нагрева в магнитном поле постоянных магнитов
1.5.2 Нагрев алюминиевых заготовок в магнитном поле постоянного электромагнита со сверхпроводящей обмоткой
1.6 Предлагаемая технология нагрева цветных металлов в поперченном
магнитном поле вращающихся постоянных магнитов
1.6.1 Элементы конструкции установки нагрева заготовки в поперечном магнитном поле
1.7 Методы расчета электромагнитных систем с поперечным магнитным
полем
1.7.1 Аналитический метод расчета
1.7.2 Численный метод расчета
1.7.3 Выбор метода расчета установки нагрева заготовок в магнитном поле постоянных вращающихся магнитов
1.8 Методы и средства оптимального проектирования
1.8.1 Опыт применения средств оптимального проектирования установок
индукционного нагрева

1.9 Выводы по разделу
2 Математическая модель установки нагрева алюминиевых заготовок в
магнитном поле вращающихся постоянных магнитов
2.1 Постановка задачи и основные допущения
2.2 Математическая модель для анализа электромагнитного поля
2.3 Математическая модель для анализа теплового поля в
цилиндрической загрузке
2.4 Модуль для расчета интегральных параметров и алгоритм расчета
математической модели
2.5 Анализ интегральных и дифференциальных характеристик
электромагнитного и теплового полей в системе «загрузка - ротор с магнитами»
2.6 Выводы по разделу
3 Экспериментальные исследования на лабораторной установке нагрева
слитков во вращающемся поле постоянных магнитов
3.1 Предпосылки для разработки лабораторной установки
3.2 Лабораторная установка нагрева цилиндрических слитков в
магнитном поле вращающихся постоянных магнитов
3.3 Система измерений
3.4 Результаты экспериментальных исследований на лабораторной
установке
3.5 Выводы по разделу
4 Модернизация индукционного нагревателя периодического действия
ОКБ-894а с использованием методов оптимизации
4.1 Описание действующей установки
4.2 Описание опытно-промышленного образца установки нагрева слитков
во вращающемся магнитном поле
4.3 Оптимизация индукционного нагревателя с использованием
оптимизационного алгоритма Холланда
4.4 Выводы по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Установленная мощность индукционных сквозных нагревателей цветных металлов достигает десятков и даже сотен мегаватт, при этом энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую в этих установках редко достигает 60 %. Это обусловлено высокой удельной электропроводностью нагреваемого металла (алюминий, медь, латунь), сопоставимой с электропроводностью обмоток индуктора.
Различные научные школы не оставляют попыток создания новой технологии с повышенными энергетическими показателями. Например, в проекте ALUHEAT, Европейского союза, выполняемом с 2005 по 2008 годы силами 6 научных центров Европейского союза (Германия, Италия, Финляндия, Польша, Чехия, Норвегия) предложено устройство, предполагающее вращение алюминиевой загрузки в поле электромагнита со сверхпроводящей обмоткой. Другим примером работ в направлении повышения энергетической эффективности установок индукционного нагрева (УИН) являются работы по созданию многослойных обмоток выполняемые научно-исследовательским центром Британского совета по электричеству, а также А. Е. Слухоцким, B.C. Немковым, Е.А. Головенко, Е.С. Киневым и другими учеными. До сих пор в промышленности для сквозного нагрева цветных металлов используют соленоидальные много-витковые индукторы с продольным магнитным полем из проводника в виде полой медной или алюминиевой трубки, несмотря на их низкую энергетическую эффективность. В результате затраты на компенсацию потерь электроэнергии существенно превышают расходы на амортизацию установки в структуре себестоимости готового продукта, а цены на энергию продолжают расти.
В настоящей работе рассмотрены особенности решения задачи нагрева, основанного на вращении постоянных магнитов вокруг неподвижной за-

Литые материалы на основе сплавов типа железо-никель-алюминий (Ре-БН-А!) и железо-никель-кобальт (Те-М-Со) являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к прецизионным, так как их количество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.
Магнитные литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуры начала распада. В процессе твердения происходит высокотемпературный распад твердого раствора на 13-фазу и [Зч-фазу. (3-фаза близка по составу к чистому железу, которое обладает выраженными магнитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. р2-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель-алюминий М-А1, обладающему низкими магнитными свойствами.
В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы р2 с однодоменным сильномагнитным включениями фазы Р, которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибольшее распространенными являются сплавы типа Ре-№-А1, легированные медью Си и кобальтом Со.
Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.
Кобальтовые сплавы применяют когда требуются материалы с относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью.
Высококобальтовые сплавы представляют собой сплавы с магнитной и кристаллической текстурой, содержащие кобальт более 15%.
Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлаждения сплава в магнитном поле с напряженностью 160-280 кА/м в диапазоне температур от 500°С до 1250-1300°С. Полученный сплав приобретает