铝合金板带横向电磁感应加热模拟分析

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连续运动铝合金板带的横向电磁感应加热问题,是包含运动参数在内的三维非线性涡流场与温度场的耦合分析,是电气工程、材料科学与工程以及冶金工程领域中研究的热门课题。本文建立了横向电磁感应加热装置的仿真计算模型。横向电磁感应加热问题的耦合场计算过程中建立A-Φ法计算涡流场,为了提高三维耦合计算效率,对横向电磁感应加热问题进行了合理的简化,从而缩短了横向电磁感应加热耦合计算时间,确定了边界条件。建立了连续运动的铝合金板带温度场方程。完成了连续运动铝合金板带三维非线性耦合场的有限元计算,给出了铝合金板带表面的涡流分布、热源分布以及最终的温度分布,并对这些结果进行了分析。对横向电磁感应加热的规律的研究结果表明:①频率与电流对铝合金板带出口处温度分布的影响较大:电流对板带加热温度的影响较大,但对板带温度均匀性的影响相对较小,而频率与电流对板带温度的影响相反,频率对板带温度的影响较小,对板带温度均匀性的影响较大;②空气间隙对铝合金板带出口处温度的影响较大,板带温度随空气间隙减小而增大,但对温度均匀性的影响较小;③板带运动速度对铝合金板带出口处温度分布的影响较大,板带温度随板带运动速度增大而减小,同时对板带温度分布均匀性也有影响。在感应加热线圈设计方面:①线圈长度与板带宽度的比值对板带边缘温度分布的影响较大,线圈长度越大板带温度越均匀;②线圈匝数对板带温度影响较大,匝数越多板带温度越高。在感应加热轭铁设计方面:①轭铁长度与铝合金板带宽度的比值对铝合金板带边缘温度分布的影响较大,轭铁长度越大板带温度越均匀;②轭铁节距对板带温度均匀性影响较大,节距越大板带均匀性越差;③轭铁高度对铝合金板带温度分布基本没影响。对横向电磁感应加热装置提出设计建议,横向电磁感应加热装置增加了遮蔽装置,铝合金板带在该感应加热装置中加热后,铝合金板带边缘温度显著降低,在本文所采用的目标温度条件下,该装置加热后的板带均匀性更差,但是该装置对其他金属工件加热到高温度的情形能够显著改善板带边缘温度过高的问题。
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