Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
ISSN 1814
-
1196
http://journals.nstu.ru/vestnik
Научный
вестник
НГТУ
S
cience
B
NSTU
том
5
8
,№
1
, 201
5
,
с
.
201
212
Vol. 5
8
, No.
1
, 201
5
, pp.
201
212
ЭНЕРГЕТИКА
УДК621.365.5
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечи
схолоднымтиглемдляплавкиметаллов
*
Р.А.БИКЕЕВ
1
,А.И.АЛИФЕРОВ
2
,
А.Ю.ИГНАТЕНКО
3
,
В.А.СУЯШОВ
4
1
630073,РФ,г.Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехнический
университет,к
андидат
т
ехнических
н
аук
,доцент
.
Е
-
:
bikeev
@
ngs
.
ru
2
630073,РФ,г.Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехническийуниверситет,
доктортехническихнаук,профессор.
Е
-
:
alif
@
ngs
.
ru
3
630073,РФ,г.
Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехническийуниверситет,аспирант
.
Е
-
:
zxszxs
@
rambler
.
ru
4
630073,РФ,г.Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехническийуниверситет,
студент
.
Е
-
:
vladis
lav
_
suyashov
@
.
ru
Индукционныепечисхолоднымтиглемпредназначеныдлявыплавкиметалловиспл
а
воввысокойчистоты,атакжетугоплавкихихимическиактивныхметаллов.
Такоеихприм
е
нениеобусловленоотсутствиемзагрязнениярасплаваматериаломтигля,на
личиеминтенси
в
ногоэлектромагнитногоперемешиванияжидкогометаллабездополнительныхспециальных
устройств,позволяющегополучитьрасплав,равномерныйпохимическомусоставуитемпер
а
туре.
Главнымнедостат
ком
этихпечейявляетсянизкийэлектрическийкоэффициентполезн
о
годействия,которыйобусловленбольшимиэлектрическимипотерямивхолодномтиглеэле
к
тропечи.Оптимизацияконструкциихолодныхтиглейвозможнатольконаосновеглубокого
комплексногоисследовани
янабазе3Dмоделированияпротекающихвнихэлектромагнитных
процессовиэнергетическихпараметровсистемы©индук
тор
расплав
холодныйтигельª.
В
статьеописаныгеометрическаяиматематическаямоделиодногосегментатигля,реализ
о
ванныевпрограммномкомпл
ексеконечно
-
элементногомоделированияполейразличнойпр
и
роды
ANSYS
.Впроцессеисследованиябылопроведеномногократноепараметрическоем
о
делированиеиндукционнойсистемысхолоднымтиглемприварьированииследующихпар
а
метров:действующе
гозначения
то
каиндуктора,количеств
а
сегментовхолодноготигля,мат
е
риал
а
холодно
готигля,наличияиотсутствия
прорезивдольканалаводяногоохлажденияка
ж
догосегментахолодноготигля.Врезультатебылиполученыкартиныраспределенияпараме
т
ровэлектромагнитногопол
я(векторанапряженностимагнитногополяивектораплотности
тока),атакжезависимостиактивноймощности,выделяемойвовсехтокопроводящихэлеме
н
тахконструкциимоделируемойсистемы,иэлектрическогоКПДотвсехвариативныхпар
а
метров.Анализполученных
зависимостейпоказал,чтоувеличениеколичествасегментов,из
которыхконструктивновыполняетсяхолодныйтигель,наличиепрорезивдольканалаводян
о
гоохлаждениякаждогосегментахолодноготигля,атакжеизготовлениесегментовхолодного
*
Статьяполучена
11ноября2014
г.
РаботавыполняласьприподдержкеМинистерстваобразованияинаукиРоссийской
Федерации(программастратегическогоразвитияНовосибирскогогосударственноготехн
и
ческогоуниверситета,проект2.6.1,
г
ос.регистраци
я
№
01201461857)
.
Р.А.БИКЕЕВ,А.И.
АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ
202
тигляизнержавеюще
йстали(посравнениюсхолоднымтиглем
,
выполненнымизмеди)пр
и
водиткуменьшениювнемпотерьактивноймощностии,какследствие,увеличениюэлектр
и
ческогокоэффициентаполезногодействияиндукционнойсистемысхолоднымтиглем.
Ключевыеслова:
индукцион
ныйнагрев,холодныйтигель,расплав,сегменттигля,га
р
нисаж,электромагнитноеполе,электрическийкоэффициентполезногодействия,активная
мощностьврасплаве,численнаямодель
DOI
:
10.17212/1814
-
1196
-
2015
-
1
-
201
-
212
ВВЕДЕНИЕ
Благодарясочетаниювиндукци
онныхпечахсхолоднымтиглемдля
плавкиметалла(ИПХТ)холоднойметаллическойповерхноститигля,во
з
можностиэлектромагнитногообжатиярасплавленногометаллаиобразов
а
ниюменискаэтипечиобладаютследующимиположительнымисвойствами:
отсутствиезагрязне
ниярасплаваматериаломтигля;возможностьодновр
е
менногорасплавлениявсейшихты,загруженнойвтигель,ивыдержкипол
у
ченногорасплавапризаданнойтемпературевтечениенеобходимоговрем
е
ни;наличиеинтенсивногоэлектромагнитногоперемешиванияжидкого
металлабездополнительныхспециальныхустройств,чтопозволяетполучить
расплав,равномерныйпохимическомусоставуитемпературе;наличиера
з
витойсвободнойповерхностирасплава(засчетэлектромагнитногоотжатия
отстеноктигля)позволяетинтенсифициров
атьрафинировочныепроцессы;
возможностьработатьслюбойконтролируемойатмосферойприлюбомда
в
лении.ТакойкомплексдостоинствИПХТсоздаетусловиядлярасширения
областейихпримененияитехнологическихпроцессов,вкоторыхэтипечи
используются.Главн
ымфактором,ограничивающимихприменение,являе
т
сянизкийэлектрическийКПД,связанныйсозначительнымипотерями
активнойэнергиивхолодномтигле.Исследованиюэлектромагнитных,ма
г
нитогидродинамическихитемпературныхпроцессов,определяющихэнерг
е
тиче
скиепоказателиданныхпечей,посвященыработы,выполненныевра
з
личныхроссийскихизарубежныхнаучныхцентрах(Санкт
-
Петербургский
государственныйтехническийуниверсите
т,Ганноверскийуниверситет
им.
Лейбница,Латвийскийгосударственныйуниверситетидр
.).Известны
результатычисленногомоделированияинатурныхэкспериментовпоизуч
е
ниюмагнитодинамическихпроцессовврасплавевИПХТ[1
3],электрома
г
нитныхитепловыхпроцессоввсистеме©индуктор
расплав
холодныйт
и
гельª[4
6],повлияниюна
энергетическиепараметрыконструктивногои
с
полненияплавильногоузлаитехнологическихрежимовплавкиоксидови
металлов
[7
11],Численноемоделированиепроцессов,протекающихв
ИПХТ,реализованомногимиисследователямивразличныхпрограммных
продуктах:м
одели,базирующиесянарешениисистемдифференциальных
уравненийметодомконечныхразностейиконечныхэлементов[7,8],впр
о
граммномпакете
ANSYS
[4, 6, 11
14].Исследованиявыполнялисьнабазе2
D
[12,14]и3
D
моделирования[4,11].
Вданнойстатьепре
дставляютсярезультаты3
D
моделированияэле
к
тромагнитныхпроцессов,позволившиеполучитьзависимостиэнергетич
е
скиххарактеристиксистемы©индуктор
расплав
холодныйтигельªотко
н
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов
203
структивногоисполненияиндукционнойсистемысхолоднымтиглем,вел
и
чинытока
виндукторе,частотытокасучетомактивныхпотерьнетольков
холодномтигле,нои
в
индукторе.
1.
ПОСТАНОВКАЗАДАЧИ
Длявычисленияраспределенияпараметровэлектромагнитногополяв
индукционнойсистемесхолоднымтиглем,атакжерасчетаактивноймо
щ
ност
и,выделяющейсявпроводящихэлементахконструкции,анализэле
к
тромагнитногополянеобходимопроводитьвтрехмернойпостановке.Это
позволяетнаиболееправильноучестьгеометриюрассматриваемойсистемы,
атакжеконтурапротеканиявихревыхтоков,наводимых
впроводящихэл
е
ментахконструкции.Расчетнаягеометрическаямодельсистемыизображена
нарис
.
1.Нарис
.
2представленразрезтиглясвертикальнымипрорезямии
безпрорезей.
Рис.1.
Расчетнаягеометрическаямодельсегментаиндукционной
системыс
холоднымтиглем
Длярасчетаэлектромагнитногополявсовременныхприкладныхпр
о
граммныхпродуктахширокоиспользуетсяпонятиевекторногомагнитного
потенциала
,которыйплавноизменяетсяотточкикточкеироторкоторого
равенмаг
нитнойиндукции[15
17]:
.
(1)
Р.А.БИКЕЕВ,А.И.
АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ
204
Рис.2.
Тигельсвертикальнымипрорезями
(справа)ибезпрорезей(слева)
УравненияМаксвелла,сформулированныевтерминахвекторногома
г
нитногопотенциала
,
могутбытьзаписанывкомплекснойформе
длясинус
о
идальноизменяющегосяповремениэлек
тромагнитногополя
:
,
(2)
,
(3)
.
(4)
Такимобразом,задачарасчетаэлектромагнитного
полявмоделируемой
системес
водитсякрешениюуравнений(2)
(4)относительнотрехкомпонент
векторногомагнитногопотенциала
.
Награницахрасчетнойобластибудутвыполнятьсяследующиеусловия
[18]:длякасательнойсоставляющейв
екторногомагнитногопотенциала
;длянормальнойсоставляющейвекторногомагнитногопотенциала
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов
205
,где
векторнормаликграничнойповерхностирасчетнойобласти.
Источникомэлектромагнитногополявмоделируемойсистемеявляетсяток,
протекающийввиткахиндуктораиизменяющийсяпосинусоидальномуз
а
кону
.
Решениеуравнений(2)
(4),дополненныхсоответствую
щимиграничн
ы
миусловиями,впрограммномкомплексеконечно
-
элементногомоделиров
а
нияполейразличнойприродыANSYSпозволяетполучитьврасчетнойобл
а
стираспределениевекторногомагнитногопо
тенциала.
Определениесреднейзапериодактивноймощности,выдел
яющейсяв
каждомпроводящемтелеврасчетноймоделизасчетпротеканияпонемут
о
ка,можетбытьосуществленоповыражению[
15
,
16
]:
,
(5)
где
объемтела;γ
электропроводимостьматериалапроводящего
тела
.
2.
РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХПАРАМ
ЕТРОВ
ВпроцессеисследованиявпрограммномкомплексеANSYSбылопров
е
деномногократноепараметрическоемоделированиеиндукционнойсистемы
схолоднымтиглем
,
изображеннойнарис
.
1.Вкачествевариативных
пар
а
метроввыступали:действующеезначениетокаиндук
тора
1000
А,2400
А,
5000А,10
000А;количествосегментовхолодноготигля
8,16,32;мат
е
риалхолодноготигля
медь,нержавеющаясталь;наличиеиотсутствие
прорезивдольканалаводяногоохлаждени
якаждогосегментахолодного
тигля.
Врезультатеисследованиябылиполученызависимостиэлектрического
КПДотвсехвариативныхпараметров.Нарис
.
3и4представленызависим
о
стиэлектрическогоКПДприразличномколичествесегментовтигля,наличии
иотсутст
виипрорезивдольканалаохлаждениякаждогосегментатигляив
а
рьируемойчастотетокаиндукторадлятигля,выполненногоизмедиинерж
а
веющейсталисоответственно.
Нарис
.
5и6представленызависимостиактивноймощностиврасплаве
приразличномколичестве
сегментовтигля,наличиииотсутствиипрорези
вдольканалаохлаждениякаждогосегментатигляиварьируемомтокеи
н
дукторадлятигля,выполненногоизмедиинержавеющейсталисоотве
т
ственно.
Р.А.БИКЕЕВ,А.И.
АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ
206
Рис.3.
ЗависимостиэлектрическогоКПДдляраз
личногоколичествасе
г
ментовтигляприналичиииотсутствиипрорезейвдольканалаохлаждения
каждогосегментатигляиварьируемойчастотетокаиндуктора
(холодный
тигельвыпол
ненизмеди)
Рис.4.
ЗависимостьэлектрическогоКПДдляразличногоколичествасе
г
ментовтигляприналичиииотсутствиипрорезейвдольканалаохлаждения
каждогосегментатигляиварьируемойчастотетокаиндуктора
(холодный
тигельвыполненизнер
жавеющейстали)
КПД,%
КПД,%
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов
207
Рис.5.
Зависимостьактивноймощности,выделяющейсяврасплаве,
дляразличногоколичествасегментовтигляприналичиииотсутствии
прорезивдольканалаохлаждениякаждогосегментатигля,атакжев
а
рьируемомтокеиндуктораичас
тотетока(холодныйтигельвы
полнен
измеди)
Нарис
.
3и4виднымаксимумыназависимостяхэлектрическогоКПД.
Приувеличениичисласегментов,образующихтигель
,
с8до32
,
максимал
ь
ныезначенияКПД
растутдлясистемысразрезнымисегментамис21
,
7до
27
%длямедногоис30до33
%
длястальногосегмента.Принеразрезном
сегментед
иапазонизменениямаксимумаКПД
получаетсяот16,5до21,5
%
длямедногоиот28до30
%длятигляизстальныхсегментов.
Приэтомч
а
стотныйдиапазон,соответствующиймаксимумуКПД,находитсявпреде
лах
100…
800Гц.
Нарис
.
5и6приведенызависимостиактивноймощности,выделяемойв
расплавленномметалле.Наличиепрорезивсегментахтигляобеспечиваетв
1
,
5разабольшуюактив
нуюмощность,выделяющуюсяврас
плаве,чемпри
тиглеснеразрез
нымисегментами.
Р
,
Вт
Р.А.БИКЕЕВ,А.И.
АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ
208
Рис.6.
Зависимостиактивноймощности,выделяющейсяврасплаве,
дляразличногоколичествасегментовтигляприналичиииотсутствии
прорезивдольканалаохлаждения
каждогосегментатигля,атакжев
а
рьируемомтокеиндуктораичастотетока(холодныйтигельвыполнен
изнержавею
щейстали)
ВЫВОДЫ
1.
Увеличениеколичествасегментов,изкоторыхконструктивновыпо
л
няетсяхолодный
тигель,приводиткуменьшениювнемпотерьактивной
энергии.Причемэтатенденциянаблюдаетсядляпринятыхвариантовко
н
структивногоисполненияхолодноготигля(безпрорезииспрорезьювдоль
каналаводяногоохлаждениякаждогосегмента)иматериалов,изко
торых
изготавливаетсятигель(медьилинержавеющаясталь).
2.
Наличиепрорезивдольканалаводяногоохлаждениякаждогосегме
н
тахолодноготигл
яприводитксущественному(додвух
раздлятигля,в
ы
полненногоиз32сегментовизнержавеющейстали)уменьшению
потерьа
к
тивнойэнергиивхолодномтигле,причемчембольшеколичествосегментов
втигле,темменьшепотеривнем.
3.
Изготовлениесегментовхолодноготигляизнержавеющейсталипр
и
водитксущественному,посравнениюсхолоднымтиглем,выполненнымиз
меди,
уменьшениюпотерьвнемактивнойэнергии(в6
10раз).
Р
,Вт
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов
209
4.
Дляразличныхвариантовконструктивногоисполненияхолодного
тиглявыявленымаксиму
мыэлектрическогоКПДсистемы©
индуктор
хо
-
лодныйтигель
расплав
ª
вдиапазонечастот100
…
800Гц.Приувеличении
чи
сласегментов,образующихтигельс8до32,максимальныезначенияКПД
растутдлясистемысразрезнымисегментамис21
,
7до27
%длямедногоис
30до33
%
длястальногосегмента.Принеразрезномсегментедиапазони
з
менениямаксимумаКПДполучаетсяот16,5
до21,5
%длямедногоиот28до
30
%длятигляизстальныхсегментов.
Всерассмотренныевышевариантыконструктивногоисполненияхоло
д
ноготигля,приводящиекуменьшениюпотерьактивнойэнергиивнем,п
о
ложительноотражаютсянаэлектрическомКПДустановки
,чтопозволяетр
е
комендоватьихдляоптимизациисуществующихиливновьсоздаваемыхи
н
дукционныхнагревательныхсистемсхолоднымтиглем.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Numerical modeling of free
surface dynamic of conductive melt in the induction crucible
furnace
/ S. Spitans, A.
Jakovics, E. Baake, B. Nacke // Magnetohydrodynamics.
2010.
Vol. 46,
N 4.
P. 425
436.
2.
Development, verification and application of numerical model for coupled free surface and
liquid metal flow calculation in EM field / S. Spitan
s, E. Baake, B. Nacke, A. Jakovics // Proceedings
of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES
13©Inucion,Dielecric
anMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinª,Paua,
Italy,
May 21
24, 2013.
Padua: Servizi Graf
ici Editorialy, 2013.
P. 279
286.
doi: 10.2495/MPF130051.
3.
Cold crucible verification process: numerical simulation of pouring of molten glass evab
o-
rated in CCIM / E. Sauvage, P.
Brun, M. Lima
-
Da
-
Silva, J. Lacombe, Y. Fautrelle, A. Gagnoud
//
Proceedings of the International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing,
Hannover, September 16
19, 2014.
Hannover: Leibniz University of Hannover, 2014.
P.
189
194.
4.
Study of direct solidification technology of multicryst
alline silicon in cold crucible / V.
Kichigin, B. Niemann, B.
Nacke, A. Pechenkov, I. Pozniak // Proceedings of International Sympos
i-
um on Heating by Electromagnetic Sources HES
10©Inucion,DielecricanMicroaves,Conu
c-
tion & Electromagnetic Process
inª,Paua,May18
21, 2010.
Padua: Servizi Grafici Editorialy,
2010.
P. 249
254.
5.
Pozniak I., Shatunov A.
Mathematical modeling and study of induction furnace with cold
crucible // Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagneti
c Sources HES
13
©Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinª,Paua,
Italy,
May 21
24, 2013.
Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013.
P. 641
646.
6.
Special tool for investigation and contro
lling of induction skull
elinprocesses//Proceeinsofheinernaionalcolloquiu©Moelinforsavinresourcesª,
Riga, Latvia, May 17
18, 2001.
Riga: Laboratory for Mathematical Modelling of Environmental
and Technological Processes, University
of Latvia, 2001.
P. 158
163.
7.
,
Behrens T.
Mathematical modeling and investigation of
inucionsyseihsliecrucible//Proceeinofheinernaionalscienificcolloquiu©Moe
l-
ling for electromagnetic pro
cessinª,Hannover,March24
26, 2003.
P. 151
156.
8.
ТирЛ.Л.,ФоминН.И.
Современныеметодыиндукционнойплавки.
М.:Энергия,
1975.
112с.
9.
ТирЛ.Л.
,
ГубченкоА.П.
Индукционныеплавильныепечидляпроцессовповышенной
точностиичастоты.
М.:
Энергоатомиздат,1988.
120с.
(Библиотекаэлектротермиста;
вып.75).
10.
ПетровЮ.Б.,РатниковД.Г.
Холодныетигли.
М.:Металлургия,1972.
112с.
11.
ТирЛ.Л.
,
ГубченкоА.П.,ФоминИ.П.
Тенденцииразвитияиндукционныхпечейсх
о
лоднымтиглем//Исс
ледованиявобластипромышленногоэлектронагрева:трудыВНИИЭТО/
Всесоюзныйнаучно
-
исследовательскийинститутэлектротермическогооборудования
©ВНИИЭТОª.
М.:Энергия,1979.
Вып.10.
С.31
38.
Р.А.БИКЕЕВ,А.И.
АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ
210
12.
КувалдинА.Б.,ВасильевС.А.
Исследованиеэлектрическ
ихпотерьвхолодномтигле
индукционнойпечисиспользованиемтрехмерногомоделирования//Индукционныйнагрев.
2012.
№21.
С.16
21.
13.
2
D
электрогидродинамическаямодельиндукционнойваркистеклавхолодномтигле
придвухчастотномнагревеванны/
Д.Б.Лопух,Б.С.Полеводов,С.И.Чеплюк,А.П.Мартынов,
А.В.Вавилов,Д.А.Роуч//Индукционныйнагрев.
2011.
№15.
С.23
27.
14.
Poznyak I., Maximenko M., Shatunov A.
Study of crystallization front of the melt in indu
c-
tion furnace with cold crucible
// Proceedings of International Symposium on Heating by Electr
o-
magnetic Sources HES
13©Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&Elecroaneic
Processinª,Paua,
Italy,
May 21
24, 2013.
Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013.
P. 439
445.
15.
БессоновЛ.А.
Теоретическиеосновыэлектротехники.
М.:Высшаяшкола,1964.
730с.
16.
БессоновЛ.А.
Теоретическиеосновыэлектротехники:Электромагнитноеполе:уче
б
никдлявузов.
7
-
еизд.,перераб.идоп.
М.:Высшаяшкола,1978.
528с.
17.
A
NSYSHelpSyse.Release14.5.ANSYS14.5[Электронныйресурс].
1электро
н
ныйоптическийдиск(DVD
-
ROM).
18.
КравченкоА.Н.
Краевыехарактеристикивзадачахэлектродинамики/АНУССР,И
н
ститутэлектродинамики.
Киев:Науковадумка,1989.
224с.
АлиферовАлександрИванович
,доктортехническихнаук,профессорНовосиби
р
скогогосударственноготехническогоуниверситета.Основноенаправлениенаучныхи
с
следований
энергосберегающиеэлектротехнологии.Имеетболее100публикаций.
E
-
:
alif
@
ngs
.
ru
Бик
еевРоманАлександрович
,к
андидат
т
ехнических
н
аук
,доцентНовосибирского
государственноготехническогоуниверситета.Основноенаправлениенаучныхисслед
о
ваний
энергосберегающиеэлектротехнологии.Имеетболее60публикаций.
E
-
:
bikeev
@
ngs
.
ru
Игнатенк
оАлексейЮрьевич
,магистртехникиитехнологии,аспиранткафедры
АЭТУНовосибирскогогосударственноготехническогоуниверситета.Основноенапра
в
лениенаучныхисследований
моделированиеэлектромагнитныхитепловыхпроцессов
вэлектротехнологии.Имеет6п
убликаций.
E
-
:
zxszxs
@
rambler
.
ru
СуяшовВладиславАлександрович
,студенткафедрыАЭТУНовосибирскогогос
у
дарственноготехническогоуниверситета.Основноен
аправлениенаучныхисследов
а
ний
моделированиеэлектромагнитныхитепловыхпроцессовв
установкахиндукцио
н
ногонагрева.
E
-
mail:
[email protected]
*
R.A. BIKEEV
1
,
A.I. ALIFEROV
2
,
A.Y
u
. IGNATENKO
3
,
V.A. SUJASHEV
4
1
Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russian
Federation, Ph.D., associate professor.
Е
-
mail: [email protected]
2
Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russian
Federation,
D.Sc. (Eng.), professor.
Е
-
mail: [email protected]
3
Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx Prospekt, Novosibirsk, 630073, Russian
Federation, postgraduate student.
Е
-
mail: [email protected]
4
Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx Prospe
kt
,
Novosibirsk, 630073, Russian
Federation, student.
Е
-
mail: [email protected]
Cold crucible induction furnaces are intended for melting of high purity metals and a
l-
loys as well as for refractory and chemically active metals. This use is
conditioned by the a
b-
*
R
eceived
1
1
N
ovember
2014
.
Th
e
work was
supported by the Ministry
of Education and
Science of the
Russian
Federation
(the program
of strategic
development of the Novosibirsk
State Technical University
, project
2.6.1,
registration number of scientific research work
01201461857
.
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов
211
sence of pollution of the melt by crucible materials, intensive electromagnetic stirring of a li
q-
uid melt without any additional facilities, which allows obtaining melts of a similar chemical
composition and uniform temperature.
The m
ain disadvantage of such furnaces is their low electrical efficiency caused by high
electrical losses in the cold crucible of the installation. The cold crucible construction optimiz
a-
tion is possible only on the basis of a deep complex investigation of ele
ctromagnetic phenom
e-
naoccurrininianeneryparaeersofheinucor
melt
colcrucible”syseih
the help of 3D numerical simulation. The paper presents geometrical and mathematical models
of one segment of the crucible implemented by the
ANSYS software for finite element mode
l-
ing of different fields.
Multiple parametric modeling of the cold crucible induction installation was performed
with varying the following parameters: the RMS value of the inductor current, the number of
cold crucibl
e segments, cold crucible material, the presence and absence of a slit along water
cooling channel of each crucible segment.
Consequently, patterns of electromagnetic field parameter distribution (a magnetic field
vector and a current density vector) were
revealed. In addition, dependencies of an active power
released in all current
-
conducting elements of the studied system and electrical efficiency on all
variable parameters were also obtained.
The analysis of these dependencies shows that increasing the
number of cold crucible
segments which constructively form a cold crucible, the presence of a slit along the water coo
l-
ing channel of each crucible segment, and using cold crucible segments made of stainless steel
(as compared with copper cold crucibles)
leads to reducing active power losses in it, and co
n-
sequently, increasing electrical efficiency of an induction system with a cold crucible.
Keywords:
induction heating, cold crucible, melt, crucible segment, scull, electroma
g-
netic field, electrical eff
iciency, melt active power, numerical model
DOI:
10.17212/1814
-
1196
-
2015
-
1
-
201
-
212
REFERENCES
1.
Spitans S., Jakovics A., Baake E., Nacke B. Numerical modeling of free surface dynamic of
conductive melt in the induction crucible furnace.
Magnetohydrodynamics,
2010, vol. 46, no. 4,
pp. 425
436.
2.
Spitans S., Baake E., Nacke B., Jakovics A. Development, verification and application of
numerical model for coupled free surface and liquid metal flow calculation in EM field.
Proceedings
of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES
-
13Inucion,Dielecric
anMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinˮ
, Padua, Italy, May 21
24, 2013,
pp. 279
286. doi: 10.2495/MPF130051
3.
Sauvage E., Brun P.,
Lima
-
Da
-
Silva M., Lacombe J., Fautrelle Y., Gagnoud A. Cold crucible
verification process: numerical simulation of pouring of molten glass evaborated in CCIM.
Procee
d-
insofheInernaionalScienificColloquiuMoellinforElecroaneicProcessin
ˮ
, Hann
o-
ver, Leibniz University of Hannover, September 16
19, 2014, pp.
189
194.
4.
Kichigin V., Niemann B., Nacke B., Pechenkov A., Pozniak I. Study of direct solidification
technology of multicrystalline silicon in cold crucible.
Proceedings of Internati
onal Symposium on
Heating by Electromagnetic Sources HES
10Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&
ElecroaneicProcessinˮ
, Padua, May 18
21, 2010, pp. 249
254.
5.
Pozniak I., Shatunov A. Mathematical modeling and study of induction furnac
e with cold
crucible.
Proceedings of International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES
13
Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinˮ
, Padua,
Italy,
May 21
24, 2013, pp. 641
646.
6.
Pozniak I., Petchenkov
A. Special tool for investigation and controlling of induction skull
melting processes.
ProceeinsofheInernaionalColloquiuMoelinforsavinresourcesˮ
,
Riga, Latvia, May 17
18, 2001. Riga, Laboratory for Mathematical Modelling of Environmenta
l and
Technological Processes, University of Latvia Publ., pp. 158
163.
Р.А.БИКЕЕВ,А.И.
АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ
212
7.
Pozniak I., Petchenkov A., Nacke B., Behrens T. Mathematical modeling and investigation
of induction system with slitted crucible.
Proceeding of the international scientific colloqu
iuMo
d-
ellinforelecroaneicprocessinˮ
, Hannover, March 24
26, 2003, pp. 151
156.
8.
Tir L.L., Fomin N.I.
Sovremennye metody induktsionnoi plavki
[Modern methods of indu
c-
tion melting]. Moscow, Energiya Publ., 1975. 112 p.
9.
Tir L.L., Gubchenko A.P
.
Induktsionnye plavil'nye pechi dlya protsessov povyshennoi toch
-
nosti i chastoty
[Induction melting furnaces for extended precision and purity processes]. Moscow,
Energoatomizdat Publ., 1988. 120 p.
10.
Petrov Yu.B., Ratnikov D.G.
Kholodnye tigli
[Cold c
rucibles]. Moscow, Metallurgiya
Publ., 1972. 112 p.
11.
Tir L.L., Gubchenko A.P., Fomin I.P. [Tendencies of development of induction furnaces
with cold crucible].
Issleovanievoblasiproyshlennooelekronareva:
[Pr
o-
ceedings of All
-
Unio
n Scientific
-
ResearchInsiueofElecroheralEquipenResearchfori
n-
du
s
rialelecricalheainˮ].Mosco,EneriyaPubl.,1979,vol.10,pp.
31
38.
12.
Kuvaldin A.B., Vasil'ev S.A. Issledovanie elektricheskikh poter' v kholodnom tigle i
n-
duktsionno
i pechi s ispol'zovaniem trekhmernogo modelirovaniya [Research of electrical losses in
cold crucible induction furnace using three
-
dimensional modeling].
Induktsionnyi nagrev
Induction
heating
, 2012, vol. 21, pp. 16
21.
13.
Lopukh D.B., Polevodov B.S., C
heplyuk S.I., Martynov A.P., Vavilov A.V., Rouch D.A.
2D elektrogidrodinamicheskaya model' induktsionnoi varki stekla v kholodnom tigle pri dv
u-
khchastotnom nagreve vanny
[Numerical 2D electrohydrodynamic model of induction melting of
glass in cold crucible
at two
-
frequency heating].
Induktsionnyi nagrev
Induction heating
, 2011, vol.
15, pp. 23
27.
14.
Poznyak I., Maximenko M., Shatunov A. Study of crystallization front of the melt in indu
c-
tion furnace with cold crucible.
Proceedings of International Sympo
sium on Heating by Electroma
g-
netic Sources HES
13Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&ElecroaneicPr
o-
cessinˮ
, Padua,
Italy,
May 21
24, 2013, pp. 439
445.
15.
Bessonov L.A.
Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki.
[Theoretical basis for
electrical eng
i-
neering]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1964. 730 p.
16.
Bessonov L.A.
Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki: Elektromagnitnoe pole
[Theoretical
basis for electrical engineering: Electromagnetic field]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1978.
528 p.
17.
ANSYS Help System. Release 14.5. ANSYS 14.5 [Digital resource]. DVD
-
ROM.
ANSYS
Help System
. Release 14.5. ANSYS 14.5 [Electronic resource]. 1 electronic optical disc (DVD
-
ROM)
18.
Kravchenko A.N.
Kraevye kharakteristiki v zadachakh elektrodinami
ki
[Boundary chara
c-
erisicsforelecroynaics‱probles].Kiev,NaukovaukaPubl.,1989.224p.
ISSN 1814
-
1196, http://journals.nstu.ru/vestnik
S
cience
B
Vol. 5
8
, No.
1
, 201
5
, pp.
201
212