Благодаря сочетанию в индукционных печах с холодным тиглем для плавки металла (ИПХТ) холодной металлической поверхности тигля, воз-можности электромагнитного обжатия расплавленного металла и

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




УДК621.365.5

Энергетическиепараметрыиндукционнойпечи

схолоднымтиглемдляплавкиметаллов
*

Р.А.БИКЕЕВ
1
,А.И.АЛИФЕРОВ
2
,
А.Ю.ИГНАТЕНКО
3
,
В.А.СУЯШОВ
4

1

630073,РФ,г.Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехнический
университет,к
андидат

т
ехнических
н
аук
,доцент
.

Е
-
mail
:
bikeev
@
ngs
.
ru

2

630073,РФ,г.Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехническийуниверситет,

доктортехническихнаук,профессор.

Е
-
mail
:
alif
@
ngs
.
ru

3

630073,РФ,г.
Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехническийуниверситет,аспирант
.

Е
-
mail
:
zxszxs
@
rambler
.
ru

4

630073,РФ,г.Новосибирск,пр.КарлаМаркса,20,Новосибирскийгосударстве
н
ныйтехническийуниверситет,

студент
.

Е
-
mail
:
vladis
lav
_
suyashov
@
mail
.
ru

Индукционныепечисхолоднымтиглемпредназначеныдлявыплавкиметалловиспл
а
воввысокойчистоты,атакжетугоплавкихихимическиактивныхметаллов.
Такоеихприм
е
нениеобусловленоотсутствиемзагрязнениярасплаваматериаломтигля,на
личиеминтенси
в
ногоэлектромагнитногоперемешиванияжидкогометаллабездополнительныхспециальных
устройств,позволяющегополучитьрасплав,равномерныйпохимическомусоставуитемпер
а
туре.

Главнымнедостат
ком

этихпечейявляетсянизкийэлектрическийкоэффициентполезн
о
годействия,которыйобусловленбольшимиэлектрическимипотерямивхолодномтиглеэле
к
тропечи.Оптимизацияконструкциихолодныхтиглейвозможнатольконаосновеглубокого
комплексногоисследовани
янабазе3Dмоделированияпротекающихвнихэлектромагнитных
процессовиэнергетическихпараметровсистемы©индук
тор
‬
расплав
‬
холодныйтигельª.
В

статьеописаныгеометрическаяиматематическаямоделиодногосегментатигля,реализ
о
ванныевпрограммномкомпл
ексеконечно
-
элементногомоделированияполейразличнойпр
и
роды
‬

ANSYS
.Впроцессеисследованиябылопроведеномногократноепараметрическоем
о
делированиеиндукционнойсистемысхолоднымтиглемприварьированииследующихпар
а
метров:действующе
гозначения

то
каиндуктора,количеств
а

сегментовхолодноготигля,мат
е
риал
а

холодно
готигля,наличияиотсутствия

прорезивдольканалаводяногоохлажденияка
ж
догосегментахолодноготигля.Врезультатебылиполученыкартиныраспределенияпараме
т
ровэлектромагнитногопол
я(векторанапряженностимагнитногополяивектораплотности
тока),атакжезависимостиактивноймощности,выделяемойвовсехтокопроводящихэлеме
н
тахконструкциимоделируемойсистемы,иэлектрическогоКПДотвсехвариативныхпар
а
метров.Анализполученных
зависимостейпоказал,чтоувеличениеколичествасегментов,из
которыхконструктивновыполняетсяхолодныйтигель,наличиепрорезивдольканалаводян
о
гоохлаждениякаждогосегментахолодноготигля,атакжеизготовлениесегментовхолодного



*

Статьяполучена

11ноября2014

г.

РаботавыполняласьприподдержкеМинистерстваобразованияинаукиРоссийской
Федерации(программастратегическогоразвитияНовосибирскогогосударственноготехн
и
ческогоуниверситета,проект2.6.1,
г
ос.регистраци
я

№

01201461857)
.

Р.А.БИКЕЕВ,А.И.

АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ


202

тигляизнержавеюще
йстали(посравнениюсхолоднымтиглем
,

выполненнымизмеди)пр
и
водиткуменьшениювнемпотерьактивноймощностии,какследствие,увеличениюэлектр
и
ческогокоэффициентаполезногодействияиндукционнойсистемысхолоднымтиглем.

Ключевыеслова:

индукцион
ныйнагрев,холодныйтигель,расплав,сегменттигля,га
р
нисаж,электромагнитноеполе,электрическийкоэффициентполезногодействия,активная
мощностьврасплаве,численнаямодель

DOI
:

10.17212/1814
-
1196
-
2015
-
1
-
201
-
212

ВВЕДЕНИЕ

Благодарясочетаниювиндукци
онныхпечахсхолоднымтиглемдля
плавкиметалла(ИПХТ)холоднойметаллическойповерхноститигля,во
з
можностиэлектромагнитногообжатиярасплавленногометаллаиобразов
а
ниюменискаэтипечиобладаютследующимиположительнымисвойствами:
отсутствиезагрязне
ниярасплаваматериаломтигля;возможностьодновр
е
менногорасплавлениявсейшихты,загруженнойвтигель,ивыдержкипол
у
ченногорасплавапризаданнойтемпературевтечениенеобходимоговрем
е
ни;наличиеинтенсивногоэлектромагнитногоперемешиванияжидкого

металлабездополнительныхспециальныхустройств,чтопозволяетполучить
расплав,равномерныйпохимическомусоставуитемпературе;наличиера
з
витойсвободнойповерхностирасплава(засчетэлектромагнитногоотжатия
отстеноктигля)позволяетинтенсифициров
атьрафинировочныепроцессы;
возможностьработатьслюбойконтролируемойатмосферойприлюбомда
в
лении.ТакойкомплексдостоинствИПХТсоздаетусловиядлярасширения
областейихпримененияитехнологическихпроцессов,вкоторыхэтипечи
используются.Главн
ымфактором,ограничивающимихприменение,являе
т
сянизкийэлектрическийКПД,связанныйсозначительнымипотерями

активнойэнергиивхолодномтигле.Исследованиюэлектромагнитных,ма
г
нитогидродинамическихитемпературныхпроцессов,определяющихэнерг
е
тиче
скиепоказателиданныхпечей,посвященыработы,выполненныевра
з
личныхроссийскихизарубежныхнаучныхцентрах(Санкт
-
Петербургский
государственныйтехническийуниверсите
т,Ганноверскийуниверситет
им.

Лейбница,Латвийскийгосударственныйуниверситетидр
.).Известны
результатычисленногомоделированияинатурныхэкспериментовпоизуч
е
ниюмагнитодинамическихпроцессовврасплавевИПХТ[1
‬
3],электрома
г
нитныхитепловыхпроцессоввсистеме©индуктор
‬
расплав
‬
холодныйт
и
гельª[4
‬
6],повлияниюна
энергетическиепараметрыконструктивногои
с
полненияплавильногоузлаитехнологическихрежимовплавкиоксидови
металлов

[7
‬
11],Численноемоделированиепроцессов,протекающихв
ИПХТ,реализованомногимиисследователямивразличныхпрограммных
продуктах:м
одели,базирующиесянарешениисистемдифференциальных
уравненийметодомконечныхразностейиконечныхэлементов[7,8],впр
о
граммномпакете
ANSYS

[4, 6, 11
‬
14].Исследованиявыполнялисьнабазе2
D

[12,14]и3
D

моделирования[4,11].

Вданнойстатьепре
дставляютсярезультаты3
D

моделированияэле
к
тромагнитныхпроцессов,позволившиеполучитьзависимостиэнергетич
е
скиххарактеристиксистемы©индуктор
‬
расплав
‬
холодныйтигельªотко
н
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов


203

структивногоисполненияиндукционнойсистемысхолоднымтиглем,вел
и
чинытока

виндукторе,частотытокасучетомактивныхпотерьнетольков
холодномтигле,нои
в
индукторе.

1.

ПОСТАНОВКАЗАДАЧИ

Длявычисленияраспределенияпараметровэлектромагнитногополяв
индукционнойсистемесхолоднымтиглем,атакжерасчетаактивноймо
щ
ност
и,выделяющейсявпроводящихэлементахконструкции,анализэле
к
тромагнитногополянеобходимопроводитьвтрехмернойпостановке.Это
позволяетнаиболееправильноучестьгеометриюрассматриваемойсистемы,
атакжеконтурапротеканиявихревыхтоков,наводимых
впроводящихэл
е
ментахконструкции.Расчетнаягеометрическаямодельсистемыизображена
нарис
.

1.Нарис
.

2представленразрезтиглясвертикальнымипрорезямии
безпрорезей.



Рис.1.

Расчетнаягеометрическаямодельсегментаиндукционной

системыс
холоднымтиглем

Длярасчетаэлектромагнитногополявсовременныхприкладныхпр
о
граммныхпродуктахширокоиспользуетсяпонятиевекторногомагнитного
потенциала
,которыйплавноизменяетсяотточкикточкеироторкоторого
равенмаг
нитнойиндукции[15
‬
17]:


.

(1)

Р.А.БИКЕЕВ,А.И.

АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ


204


Рис.2.

Тигельсвертикальнымипрорезями


(справа)ибезпрорезей(слева)

УравненияМаксвелла,сформулированныевтерминахвекторногома
г
нитногопотенциала
,

могутбытьзаписанывкомплекснойформе
длясинус
о
идальноизменяющегосяповремениэлек
тромагнитногополя
:


,

(2)


,

(3)


.

(4)

Такимобразом,задачарасчетаэлектромагнитного
полявмоделируемой
системес
водитсякрешениюуравнений(2)
‬
(4)относительнотрехкомпонент
векторногомагнитногопотенциала
.

Награницахрасчетнойобластибудутвыполнятьсяследующиеусловия
[18]:длякасательнойсоставляющейв
екторногомагнитногопотенциала

;длянормальнойсоставляющейвекторногомагнитногопотенциала
Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов


205

,где

‬

векторнормаликграничнойповерхностирасчетнойобласти.
Источникомэлектромагнитногополявмоделируемойсистемеявляетсяток,
протекающийввиткахиндуктораиизменяющийсяпосинусоидальномуз
а
кону
.

Решениеуравнений(2)
‬
(4),дополненныхсоответствую
щимиграничн
ы
миусловиями,впрограммномкомплексеконечно
-
элементногомоделиров
а
нияполейразличнойприродыANSYSпозволяетполучитьврасчетнойобл
а
стираспределениевекторногомагнитногопо
тенциала.

Определениесреднейзапериодактивноймощности,выдел
яющейсяв
каждомпроводящемтелеврасчетноймоделизасчетпротеканияпонемут
о
ка,можетбытьосуществленоповыражению[
15
,
16
]:


,

(5)

где

‬

объемтела;γ
‬

электропроводимостьматериалапроводящего
тела
.

2.
РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТА

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХПАРАМ
ЕТРОВ

ВпроцессеисследованиявпрограммномкомплексеANSYSбылопров
е
деномногократноепараметрическоемоделированиеиндукционнойсистемы
схолоднымтиглем
,

изображеннойнарис
.

1.Вкачествевариативных
пар
а
метроввыступали:действующеезначениетокаиндук
тора
‬

1000

А,2400

А,
5000А,10

000А;количествосегментовхолодноготигля
‬

8,16,32;мат
е
риалхолодноготигля
‬

медь,нержавеющаясталь;наличиеиотсутствие
прорезивдольканалаводяногоохлаждени
якаждогосегментахолодного
тигля.

Врезультатеисследованиябылиполученызависимостиэлектрического
КПДотвсехвариативныхпараметров.Нарис
.

3и4представленызависим
о
стиэлектрическогоКПДприразличномколичествесегментовтигля,наличии
иотсутст
виипрорезивдольканалаохлаждениякаждогосегментатигляив
а
рьируемойчастотетокаиндукторадлятигля,выполненногоизмедиинерж
а
веющейсталисоответственно.

Нарис
.

5и6представленызависимостиактивноймощностиврасплаве
приразличномколичестве

сегментовтигля,наличиииотсутствиипрорези
вдольканалаохлаждениякаждогосегментатигляиварьируемомтокеи
н
дукторадлятигля,выполненногоизмедиинержавеющейсталисоотве
т
ственно.






Р.А.БИКЕЕВ,А.И.

АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ


206




Рис.3.

ЗависимостиэлектрическогоКПДдляраз
личногоколичествасе
г
ментовтигляприналичиииотсутствиипрорезейвдольканалаохлаждения

каждогосегментатигляиварьируемойчастотетокаиндуктора

(холодный


тигельвыпол
ненизмеди)





Рис.4.

ЗависимостьэлектрическогоКПДдляразличногоколичествасе
г
ментовтигляприналичиииотсутствиипрорезейвдольканалаохлаждения

каждогосегментатигляиварьируемойчастотетокаиндуктора

(холодный


тигельвыполненизнер
жавеющейстали)


КПД,%

КПД,%

Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов


207


Рис.5.

Зависимостьактивноймощности,выделяющейсяврасплаве,

дляразличногоколичествасегментовтигляприналичиииотсутствии
прорезивдольканалаохлаждениякаждогосегментатигля,атакжев
а
рьируемомтокеиндуктораичас
тотетока(холодныйтигельвы
полнен


измеди)

Нарис
.

3и4виднымаксимумыназависимостяхэлектрическогоКПД.
Приувеличениичисласегментов,образующихтигель
,

с8до32
,

максимал
ь
ныезначенияКПД
растутдлясистемысразрезнымисегментамис21
,
7до
27

%длямедногоис30до33

%

длястальногосегмента.Принеразрезном
сегментед
иапазонизменениямаксимумаКПД

получаетсяот16,5до21,5

%
длямедногоиот28до30

%длятигляизстальныхсегментов.

Приэтомч
а
стотныйдиапазон,соответствующиймаксимумуКПД,находитсявпреде
лах
100…
800Гц.

Нарис
.

5и6приведенызависимостиактивноймощности,выделяемойв
расплавленномметалле.Наличиепрорезивсегментахтигляобеспечиваетв
1
,
5разабольшуюактив
нуюмощность,выделяющуюсяврас
плаве,чемпри
тиглеснеразрез
нымисегментами.


Р
,
Вт

Р.А.БИКЕЕВ,А.И.

АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ


208


Рис.6.

Зависимостиактивноймощности,выделяющейсяврасплаве,

дляразличногоколичествасегментовтигляприналичиииотсутствии
прорезивдольканалаохлаждения
каждогосегментатигля,атакжев
а
рьируемомтокеиндуктораичастотетока(холодныйтигельвыполнен


изнержавею
щейстали)

ВЫВОДЫ

1.

Увеличениеколичествасегментов,изкоторыхконструктивновыпо
л
няетсяхолодный
тигель,приводиткуменьшениювнемпотерьактивной
энергии.Причемэтатенденциянаблюдаетсядляпринятыхвариантовко
н
структивногоисполненияхолодноготигля(безпрорезииспрорезьювдоль
каналаводяногоохлаждениякаждогосегмента)иматериалов,изко
торых
изготавливаетсятигель(медьилинержавеющаясталь).

2.

Наличиепрорезивдольканалаводяногоохлаждениякаждогосегме
н
тахолодноготигл
яприводитксущественному(додвух

раздлятигля,в
ы
полненногоиз32сегментовизнержавеющейстали)уменьшению
потерьа
к
тивнойэнергиивхолодномтигле,причемчембольшеколичествосегментов
втигле,темменьшепотеривнем.

3.

Изготовлениесегментовхолодноготигляизнержавеющейсталипр
и
водитксущественному,посравнениюсхолоднымтиглем,выполненнымиз
меди,

уменьшениюпотерьвнемактивнойэнергии(в6
‬
10раз).

Р
,Вт

Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов


209

4.

Дляразличныхвариантовконструктивногоисполненияхолодного
тиглявыявленымаксиму
мыэлектрическогоКПДсистемы©
индуктор
‬
хо
-
лодныйтигель
‬
расплав
ª

вдиапазонечастот100
…
800Гц.Приувеличении
чи
сласегментов,образующихтигельс8до32,максимальныезначенияКПД
растутдлясистемысразрезнымисегментамис21
,
7до27

%длямедногоис
30до33

%

длястальногосегмента.Принеразрезномсегментедиапазони
з
менениямаксимумаКПДполучаетсяот16,5
до21,5

%длямедногоиот28до
30

%длятигляизстальныхсегментов.

Всерассмотренныевышевариантыконструктивногоисполненияхоло
д
ноготигля,приводящиекуменьшениюпотерьактивнойэнергиивнем,п
о
ложительноотражаютсянаэлектрическомКПДустановки
,чтопозволяетр
е
комендоватьихдляоптимизациисуществующихиливновьсоздаваемыхи
н
дукционныхнагревательныхсистемсхолоднымтиглем.

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©Inucion,Dielecric
anMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinª,Paua,
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©Inucion,DielecricanMicroaves,Conu
c-
tion & Electromagnetic Process
inª,Paua,May18
‬
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
©Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinª,Paua,
Italy,
May 21
‬
24, 2013.
‬

Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013.
‬

P. 641
‬
646.

6.


Special tool for investigation and contro
lling of induction skull
elinprocesses//Proceeinsofheinernaionalcolloquiu©Moelinforsavinresourcesª,
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
inucionsyseihsliecrucible//Proceeinofheinernaionalscienificcolloquiu©Moe
l-
ling for electromagnetic pro
cessinª,Hannover,March24
‬
26, 2003.
‬

P. 151
‬
156.

8.

ТирЛ.Л.,ФоминН.И.

Современныеметодыиндукционнойплавки.
‬

М.:Энергия,
1975.
‬

112с.

9.

ТирЛ.Л.
,

ГубченкоА.П.

Индукционныеплавильныепечидляпроцессовповышенной
точностиичастоты.
‬

М.:
Энергоатомиздат,1988.
‬

120с.
‬

(Библиотекаэлектротермиста;
вып.75).

10.
ПетровЮ.Б.,РатниковД.Г.

Холодныетигли.
‬

М.:Металлургия,1972.
‬

112с.

11.

ТирЛ.Л.
,

ГубченкоА.П.,ФоминИ.П.

Тенденцииразвитияиндукционныхпечейсх
о
лоднымтиглем//Исс
ледованиявобластипромышленногоэлектронагрева:трудыВНИИЭТО/
Всесоюзныйнаучно
-
исследовательскийинститутэлектротермическогооборудования
©ВНИИЭТОª.
‬

М.:Энергия,1979.
‬

Вып.10.
‬

С.31
‬
38.

Р.А.БИКЕЕВ,А.И.

АЛИФЕРОВ,А.Ю.ИГНАТЕНКО,В.А.СУЯШОВ


210

12.

КувалдинА.Б.,ВасильевС.А.

Исследованиеэлектрическ
ихпотерьвхолодномтигле
индукционнойпечисиспользованиемтрехмерногомоделирования//Индукционныйнагрев.
‬

2012.
‬

№21.
‬

С.16
‬
21.

13.

2
D

электрогидродинамическаямодельиндукционнойваркистеклавхолодномтигле
придвухчастотномнагревеванны/
Д.Б.Лопух,Б.С.Полеводов,С.И.Чеплюк,А.П.Мартынов,
А.В.Вавилов,Д.А.Роуч//Индукционныйнагрев.
‬

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©Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&Elecroaneic
Processinª,Paua,
Italy,
May 21
‬
24, 2013.
‬

Padua: Servizi Grafici Editorialy, 2013.
‬

P. 439
‬
445.

15.

БессоновЛ.А.

Теоретическиеосновыэлектротехники.
‬

М.:Высшаяшкола,1964.
‬

730с.

16.

БессоновЛ.А.

Теоретическиеосновыэлектротехники:Электромагнитноеполе:уче
б
никдлявузов.
‬

7
-
еизд.,перераб.идоп.
‬

М.:Высшаяшкола,1978.
‬

528с.

17.

A
NSYSHelpSyse.Release14.5.ANSYS14.5[Электронныйресурс].
‬

1электро
н
ныйоптическийдиск(DVD
-
ROM).

18.

КравченкоА.Н.

Краевыехарактеристикивзадачахэлектродинамики/АНУССР,И
н
ститутэлектродинамики.
‬

Киев:Науковадумка,1989.
‬

224с.


АлиферовАлександрИванович
,доктортехническихнаук,профессорНовосиби
р
скогогосударственноготехническогоуниверситета.Основноенаправлениенаучныхи
с
следований
‬

энергосберегающиеэлектротехнологии.Имеетболее100публикаций.

E
-
mail
:
alif
@
ngs
.
ru

Бик
еевРоманАлександрович
,к
андидат
т
ехнических
н
аук
,доцентНовосибирского
государственноготехническогоуниверситета.Основноенаправлениенаучныхисслед
о
ваний
‬

энергосберегающиеэлектротехнологии.Имеетболее60публикаций.
E
-
mail
:
bikeev
@
ngs
.
ru

Игнатенк
оАлексейЮрьевич
,магистртехникиитехнологии,аспиранткафедры
АЭТУНовосибирскогогосударственноготехническогоуниверситета.Основноенапра
в
лениенаучныхисследований
‬

моделированиеэлектромагнитныхитепловыхпроцессов
вэлектротехнологии.Имеет6п
убликаций.
E
-
mail
:
zxszxs
@
rambler
.
ru

СуяшовВладиславАлександрович
,студенткафедрыАЭТУНовосибирскогогос
у
дарственноготехническогоуниверситета.Основноен
аправлениенаучныхисследов
а
ний

‬

моделированиеэлектромагнитныхитепловыхпроцессовв
установкахиндукцио
н
ногонагрева.
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
.

Энергетическиепараметрыиндукционнойпечисхолоднымтиглемдляплавкиметаллов


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-
naoccurrininianeneryparaeersofheinucor
‬

melt
‬

colcrucible”syseih
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
-
13Inucion,Dielecric
anMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinˮ
, 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-
insofheInernaionalScienificColloquiuMoellinforElecroaneicProcessin
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
‬
10Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&
ElecroaneicProcessinˮ
, 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
Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&ElecroaneicProcessinˮ
, 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.
ProceeinsofheInernaionalColloquiuMoelinforsavinresourcesˮ
,
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
iuMo
d-
ellinforelecroaneicprocessinˮ
, 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].

Issleovanievoblasiproyshlennooelekronareva:
[Pr
o-
ceedings of All
-
Unio
n Scientific
-
ResearchInsiueofElecroheralEquipenResearchfori
n-
du
s
rialelecricalheainˮ].Mosco,EneriyaPubl.,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
‬
13Inucion,DielecricanMicroaves,Conucion&ElecroaneicPr
o-
cessinˮ
, 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-
erisicsforelecroynaics‱probles].Kiev,NaukovaukaPubl.,1989.224p.
















ISSN 1814
-
1196, http://journals.nstu.ru/vestnik

S
cience
B

Vol. 5
8
, No.
1
, 201
5
, pp.
201
‬
212