Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия:

В. Б. Демидович, профессор, гл. науч. сотр. межотраслевой лаборатории «Современные электротехнологии», эл. почта: vbdemidovich@mail.ru

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Россия:
И. И. Растворова, доцент каф. электронных систем

В статье обсуждены проблемы прецизионного индукционного нагрева заготовок из сплавов цветных металлов, таких как титан, цирконий, ниобий, тантал и некоторые другие. Индукционный нагрев цветных сплавов имеет некоторые особенности, которые необходимо принимать во внимание при разработке оборудования для него. Низкая теплопроводность и высокие температурные потери с поверхности приводят к тому, что внутри заготовки достигается наибольшая температура, которая не может быть измерена при помощи пирометров. Абсолютно равномерный нагрев в индукторах невозможен даже теоретически. Но в то же время прецизионный нагрев с высокой степенью однородности температурного поля обеспечивает высокое качество пластической деформации заготовок из немагнитных металлов. Определение минимально достижимой неравномерности температурного поля при нагреве заготовки индукционным способом играет существенную роль при разработке технологии нагрева и проектировании индукционной установки. Рассмотрен комплекс факторов, влияющих на качество нагрева цилиндрических немагнитных заготовок в индукторах. Для достижения минимального температурного перепада по диаметру и длине заготовки во время нагрева используют различные каналы оптимизации конструкции и режимов нагрева. Они включают выбор частоты, необходимой мощности и времени нагрева, активные и пассивные средства пространственного регулирования распределения источников теплоты. Наиболее известными средствами регулирования температуры по длине заготовки являются краевые эффекты индуктора и загрузки, кольца Фарадея, дополнительные катушки на концах индуктора, магнитные концентраторы и т. д. Они влияют на распределение мощности по длине заготовки и собственно на распределение температурного поля. Разработана автоматическая процедура оптимизации режима и конструкции индукционного нагревателя. Численное моделирование является неотъемлемой частью проектирования оборудования и разработки технологии индукционного нагрева. В статье представлен пример расчета электромагнитного и температурного поля при оптимальном нагреве заготовки из циркония в индукционном нагревателе периодического действия.

Статья подготовлена в рамках государственной работы «Организация проведения научных исследований» базовой части государственного задания Минобрнауки России (задание № 2014/187).

1. Демидович В. Б., Чмиленко Ф. В. Компьютерное моделирование устройств индукционного нагрева. — СПб. : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. — 160 с.
2. Takagaki M., Toi Y. Coupled analysis of induction hardening considering induction heating, thermal elasto-viscoplastic damage, and phase transformation // International Journal of Damage Mechanics. 2010. Vol. 19, No. 3. P. 321–338.
3. Muehlbauer A. History of Induction Heating and Melting. — Vulkan Verlag, 2008.
4. Гущин С. Н., Агеев Н. Г., Крюченков Ю. В. Теоретические основы энерго-технологических процессов цветной металлургии : уч. для вузов / науч. ред. Ю. Г. Ярошенко. — Екатеринбург : УГТУ–УПИ, 2000. — 312 с.
5. Рапопорт Э. Я., Плешивцева Ю. Э. Оптимальное управление температурными режимами индукционного нагрева. — М. : Наука, 2012. — 309 с.
6. Ильин А. А., Колачёв Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. — М. : ВИЛС-МАТИ, 2009. — 520 с.

7. Acero J., Burdio J. M., Carretero C., Alonso R. Quantitative evaluation of induction efficiency in domestic induction heating applications // IEEE Transactions on Magnetics. 2013. Vol. 49, No. 4. P. 1382–1389.
8. Lucia O., Burdio J. M., Maussion P., Dede E. J. Induction heating technology and its applications: past developments, current technology, and future challenges // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014. Vol. 61, No. 5. P. 2509–2520.
9. Demidovich V. Computer simulation and optimal designing of energy-saving technologies of the induction heating of metals // Thermal Engineering. 2012. Vol. 59, No. 14. P. 1023–1034.
10. Tavakoli M. H., Karbaschi H., Samavat F. Influence of workpiece height on the induction heating process // Mathematical and Computer Modelling. 2011. Vol. 54, No. 1/2. P. 50–58.
11. Пейсахович В. А. Синтез численных и аналитических методов при расчете индукторов для нагрева цилиндрических тел // Индукционный нагрев. 2013. № 2 (24). С. 4–14.
12. Demidovich V. B., Rastvorova I. I. Induction Heating in the Processing of Ti&Zr // Journal of Electromagnetic Analysis and Applications. 2014. No. 6. P. 404–411.