Simcenter MAGNET 電磁感應加熱應用——感應爐中的電磁懸浮
更新于2022年12月19日 09:50瀏覽：3223 評論：2 收藏：2
在熔煉過程中保持熔融金屬處于懸浮狀態，可達到熔煉高純度的目標。實際上，這種爐內線圈的
電磁感應不僅要產生熱量，還要讓熔融金屬處于電磁懸浮狀態。
在熔煉過程中，感應爐內會出現彎月面形狀的熔融金屬。
一般而言，彎月面的體積很小，不會對熔煉過程造成任何影響。在全懸浮狀態下，熔融彎月面的體積必須與熔爐的滿載容積相稱；理想條件下達到 100% 的比例。制作這樣的熔爐需要開發一種計算方法，充分考慮到電磁、熱導、流體靜力學和電動力過程。
這里我們將列舉一則可行性案例，以此描述相關開發方法。
? 負載：鈦材料，固體負載直徑為 76 毫米，初始負載高度為 100 毫米，溫度（初始溫度為 20 攝氏度，熔化溫度為 1,660 攝氏度，過熱為 1,800 攝氏度），熔化潛熱為 419 千焦 /kg (kJ/kg)
? 冷坩堝：銅材料，最小初始直徑為 80 至 140 毫米，高度為 273 毫米，總分段數為 12 和 24，分段間距為 0.5 毫米
? 感應線圈（圓柱形 + 錐形匝數組）：銅材料，最小內徑為 166 毫米，高度為 160 毫米
? 電 氣 參 數：頻 率 為 10,000 赫 茲 (Hz)， 逆 變 器 額定功率為 100 千瓦 (kW)，線圈電壓上限為 1,000伏。
現在我們來回顧一下冷坩堝爐的工作
原理，下圖為
熔爐三維模型。
下圖是冷坩堝感應爐磁場分布示意圖。感應線圈產生的磁通量有條件地分為三個部分：
? 線圈磁通泄漏
? 坩堝分段磁通量
? 通過坩堝分段傳遞給負載的磁通量
磁流這三部分的分布比例決定了熔爐效率。負載磁流部分占比越大，效率越高。分段數量對冷坩堝和所有熔爐的參數會產生很大的影響。對比 12 分段和 24 分段坩堝仿真結果表明，采用 24 分段坩堝的熔爐在有用磁通量和電效率上明顯高于采用 12 分段坩堝的熔爐。24 分段坩堝的額外優勢主要在于沿負載方位角周長的磁場分布更均勻。這顯著改善了熔煉負載彎月液面的穩定性。
下圖 是兩種應用場景下熔爐線圈誘導電流分布示意圖：固體和固體 / 熔融負載組合。
為復雜計算提供輔助支持
熔爐磁場誘導電流，繼而在固體和熔融負載中加熱。與此同時，這兩種負載之間存在很大的差別：它們表現出截然不同的形狀和材料屬性。在熔爐加熱過程中，負載從固體坯料轉化為熔融半流體，熔爐負載參數將出現根本性變化。如前所述，熔爐必須在熔化負載的同時，保持熔融金屬的懸浮。
同時滿足這兩個條件必須經過復雜計算。下圖 是專為計算制定的工作流程圖。
從熔爐開始激活到金屬鑄造的熔煉總用時分為多個時間步。每個時間步包含一個獨立的使用Simcenter MAGNET 軟件進行電磁求解。所有仿真數據的后處 理 操 作 均 借 助 Mathcad 軟 件 來 完 成。Simcenter MAGNET 模 型 輸 入 內 容 源 自 上 一 步 驟 的 輸 出。
Simcenter MAGNET 模型執行電磁計算，然后將結果傳輸到 Mathcad 程序中。Mathcad 程序運用結果進行熱導、流體靜力學和電動力計算。這些結果作為輸入內容傳輸到工作流的下一步驟和通用工作流輸出中。
第一步，從加熱過程開始到負載頂面熔化的時間段。有別于其他時間步，該時間步要求使用單獨的固體負荷計算方法。其他時間步則是用剩余時間除以時間步數（第一個時間步不包括在內）來計算。考慮到冷坩堝段的構造，需使用 Simcenter MAGNET執行電磁場全 3D 仿真。下圖 是冷坩堝網格劃分示意圖。
各時間步執行完成后，Simcenter MAGNET 仿真結果將傳輸到 Mathcad 后處理模塊。這些模塊支持以下操作：
設計優化迭代
各時間步結果表現為積分參數和熔融負載構造。結果將作為輸入內容傳輸到下一個時間步。
圖 6 是熱分析結果，顯示負載溫度 (T) 在一段時間內的變化。
該圖鎖定熔融負載前端位置，提供負載彎月形計算所需的必要數據：下圖 顯示彎月形計算結果。負載彎月形構造計算要求使用迭代方法，彎月形數據將作為反饋內容傳輸到專用的 Simcenter MAGNET 模型中。
一般而言，負載彎月形計算確定熔融負載形狀，其液壓等于線圈磁場的電磁壓力。
第三條曲線顯示二階橢圓體，其底部直徑等于固體負載直徑和熔融負載體積。Simcenter MAGNET 模塊磁場集中分布在熔融負載區，尤其是外徑以內。該區域的磁場強度可用來確定最初的彎月形高度和底部直徑（下圖 曲線 2）。
下圖 曲線 2 與 Simcenter MAGNET 生成的電磁壓力曲線不兼容（見下圖 a）。兩條曲線在兩端重合，中間段各異。改進曲線兼容性的方式有兩種：a) 感應線圈設計，以及 b) 感應線圈位置。
從一開始就采用線圈設計方法：該設計采用圓柱和圓錐線圈匝數組合。它在設計初期即已展示出理想的效果。上圖b 曲線體現出很好的一致性。
線圈位置導致碰撞結果：無法為適應所有變數找到最佳線圈位置。相關方面作出設計更改，將工藝流程中的感應線圈從爐頂加熱改為爐底加
熱。設計更改可與時間步同步執行，也可持續進行。
對這種變數進行探索后，結果令人滿意。下圖顯示負載曲線計算示例。
開發方法效率通過估算熔爐負載利用率來確定。負載利用率 (LU) 系數可以應用于此目標。LU 系數是指熔融負載質量與爐料質量之間的比率。如圖 所示，使用可移動感應線圈時，LU 系數高達 90% 以上。
在這個案例中充分運用Simcenter MAGNET對感應爐與冷坩堝計算，有利于設計出熔融金屬與爐內坩堝接觸最少的熔爐。這顯著降低了負載污染。
Simcenter MAGNET在三維電磁場求解問題上求解效率高占用計算資源少。
Simcenter MAGNET求解器自帶了電磁-熱耦合分析，可以支持各種類型的電磁加熱相關問題。
Simcenter MAGNET腳本功能十分強大支持進行各種方式的求解調用。
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