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D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.10.008 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol.31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2009 螺旋翅片管轧制的中频感应加热数值模拟 高玉峰1) 白皓)苍大强)佘京鹏)李立鸿) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)汕头华兴冶金备件厂有限公司，汕头515063 摘要在对钢管中频加热过程进行理论分析的基础上，从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发，考虑了材料物理性能随温 度变化对加热过程的影响，使用Asys软件建立了钢管电磁热耦合分析的有限元模型，对钢管中频感应加热问题进行了数值 模拟计算.计算结果中工件外表面温度与实测温度相差5.19%，吻合较好.提出了感应透热深度的概念，并以此区分钢管内 感应加热区域和热传导区域·根据模拟结果讨论了钢管感应透热深度及温度分布的影响因素，并证明了双线圈感应加热工艺 在工件温度分布、热效率及频率分配方面的合理性· 关键词螺旋翅片管：轧制：感应加热：数值模拟 分类号TG307 Numerical modeling of medium induction heating in spiral fin tube rolling GAO Yu-feng),BAI Ha),CANG Daqiang).SHE Jing"peng2),LI Li-hong2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Shantou Huaxing Metallurgical Spare Plant Co.Ltd.,Shantou 515063.China ABSTRACT On the base of theoretical analysis on the medium-frequency heating of steel tubes.an electromagnetic-thermal coupling model of steel tubes was constructed with the Maxwell equations and the heat conduction equation.The electromagnetic and thermal fields of steel tubes were numerically simulated with Ansys software in consideration of the effect of the change in physical properties of materials with temperature on the heating process.The calculation results agree with the measured ones,for the surface tempera- ture error of the heated workpieces was evaluated at 5.19%.The concept of induction heating penetration,which is used to divide the induction heating area and the heat transfer area during induction heating.was introduced.According to the simulation results, the induction heating penetration and the temperature distribution under different heating conditions were discussed.It is proved that the twin"coil heating mode is reasonable in distributing the temperature of the heated workpieces and assigning the heating efficiency and frequency. KEY WORDS spiral fin tube:rolling:induction heating:numerical modeling 翅片式换热器是目前国内外先进的换热设备之 有优势[四. 一，翅片管是组成这种热交换器的核心元件.传统 钢管感应加热的加热厚度以及钢管温度分布情 的钢质螺旋翅片管是将钢带螺旋缠绕在基体钢管上 况直接影响轧制过程及产品质量，但是，对轧制质 进行高频焊接，这使基体钢管和翅片之间不可避免 量起决定作用的影响因素尚不明确，因此有必要进 地存在接触热阻，而且焊合区存在的缺陷也影响翅 行数值模拟来研究这一问题 片管的使用寿命，整体型钢质螺旋翅片是在钢管上 1中频感应加热方式及参数确定 直接轧制出翅片，使用性能大大增强。目前，整体型 钢质螺旋翅片管轧制技术尚未成熟，一般采用三辊 钢管加热初始，钢管处于冷态，随着电磁感应加 斜轧法生产钢质整体型螺旋高翅片管，这需要对坯 热作用，钢管外表面温度逐渐升高，当钢管在760℃ 料管材进行加热，对于长轴类零件，使用感应加热具 左右时，相对磁导率急剧下降，此温度被称为居里点 收稿日期：2008-11-13 基金项目：广东省教育部产学研结合资助项目(N。.2006D90404023) 作者简介：高玉蜂(1982-)，男，硕士研究生：白皓(1969-)，男，副教授，E-mail:baihao@metall.ustb-edu.cn螺旋翅片管轧制的中频感应加热数值模拟 高玉峰1） 白 皓1） 苍大强1） 佘京鹏2） 李立鸿2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 汕头华兴冶金备件厂有限公司汕头515063 摘 要 在对钢管中频加热过程进行理论分析的基础上从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发考虑了材料物理性能随温 度变化对加热过程的影响使用 Ansys 软件建立了钢管电磁－热耦合分析的有限元模型对钢管中频感应加热问题进行了数值 模拟计算．计算结果中工件外表面温度与实测温度相差5∙19％吻合较好．提出了感应透热深度的概念并以此区分钢管内 感应加热区域和热传导区域．根据模拟结果讨论了钢管感应透热深度及温度分布的影响因素并证明了双线圈感应加热工艺 在工件温度分布、热效率及频率分配方面的合理性． 关键词 螺旋翅片管；轧制；感应加热；数值模拟 分类号 TG307 Numerical modeling of medium induction heating in spiral fin tube rolling GA O Y u-feng 1）BAI Hao 1）CA NG Da-qiang 1）SHE Jing-peng 2）LI L-i hong 2） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Shantou Huaxing Metallurgical Spare Plant Co．Ltd．Shantou515063China ABSTRACT On the base of theoretical analysis on the medium-frequency heating of steel tubesan electromagnetic-thermal coupling model of steel tubes was constructed with the Maxwell equations and the heat conduction equation．T he electromagnetic and thermal fields of steel tubes were numerically simulated with Ansys software in consideration of the effect of the change in physical properties of materials with temperature on the heating process．T he calculation results agree with the measured onesfor the surface temperature error of the heated workpieces was evaluated at 5∙19％．T he concept of induction heating penetrationwhich is used to divide the induction heating area and the heat transfer area during induction heatingwas introduced．According to the simulation results the induction heating penetration and the temperature distribution under different heating conditions were discussed．It is proved that the twin-coil heating mode is reasonable in distributing the temperature of the heated workpieces and assigning the heating efficiency and frequency． KEY WORDS spiral fin tube；rolling；induction heating；numerical modeling 收稿日期：20081113 基金项目：广东省教育部产学研结合资助项目（No．2006D90404023） 作者简介：高玉峰（1982－）男硕士研究生；白 皓（1969－）男副教授E-mail：baihao＠metall．ustb．edu．cn 翅片式换热器是目前国内外先进的换热设备之 一翅片管是组成这种热交换器的核心元件．传统 的钢质螺旋翅片管是将钢带螺旋缠绕在基体钢管上 进行高频焊接这使基体钢管和翅片之间不可避免 地存在接触热阻而且焊合区存在的缺陷也影响翅 片管的使用寿命．整体型钢质螺旋翅片是在钢管上 直接轧制出翅片使用性能大大增强．目前整体型 钢质螺旋翅片管轧制技术尚未成熟一般采用三辊 斜轧法生产钢质整体型螺旋高翅片管这需要对坯 料管材进行加热对于长轴类零件使用感应加热具 有优势［1］． 钢管感应加热的加热厚度以及钢管温度分布情 况直接影响轧制过程及产品质量．但是对轧制质 量起决定作用的影响因素尚不明确因此有必要进 行数值模拟来研究这一问题． 1 中频感应加热方式及参数确定 钢管加热初始钢管处于冷态随着电磁感应加 热作用钢管外表面温度逐渐升高．当钢管在760℃ 左右时相对磁导率急剧下降此温度被称为居里点 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．008