Numeryczna analiza procesów cieplno-przepływowych oraz elektromagnetycznych zachodzących w piecu indukcyjnym

• Autorzy: Buliński P. , Smołka J. , Golak S. , Przyłucki R.

Warianty tytułu

EN

Numerical analysis of melting process in an induction furnace

• Konferencja: Konferencja Naukowo-Techniczna "Problemy cieplne w elektrotechnice i elektrotechnologie" (III ; 21-24.09.2015 ; Konopnica, Polska)
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Głównym celem pracy było stworzenie dokładnego modelu matematycznego zjawiska topienia metalu w piecu indukcyjnym z tradycyjnym tyglem. Podstawowym elementem modelu matematycznego było dwukierunkowe sprzężenie między polem elektromagnetycznym a dwufazowym polem cieplno-przepływowym. Model elektromagnetyczny pozwolił na wyznaczenie dwóch wielkości: gęstości siły Lorentza oraz wyindukowanych prądów wirowych w kąpieli. Pierwsza z nich stanowi człon źródłowy w równaniach pędu Naviera-Stokesa, natomiast druga to ciepło Joule’a, czyli człon źródłowy równania energii. Sprzężenie zwrotne było realizowane w przypadku zmiany kształtu powierzchni swobodnej kąpieli, co ma istotny wpływ na rozkład pól elektromagnetycznych w badanej przestrzeni. Wyniki symulacji numerycznych zostały porównane z wynikami pomiarów na stanowisku tygla ceramicznego. Stworzony model numeryczny pozwoli na optymalizację procesu topienia metalu w piecu indukcyjnym.

EN

The main purpose of this work was to develop numerical model of a crucible for metal melting process in an induction furnace. To mathematically describe the physical processes in a furnace, mutual interaction of electromagnetic and thermo-fluid fields needs to be considered. The coupled mathematical model of metal melting and rectification was implemented using two commercial codes: Ansys Mechanical APDL for electromagnetic field and Ansys Fluent for thermal and flow fields. The most important factors for this kind of modelling is a shape of free surface of the liquid metal, flow field in the melt, heat transfer in the crucible and transport of components in the liquid metal and further in the inert or protective atmosphere over crucible. Final results from CFD approach was compared to the experimental data. Developed mathematical model will be used to optimize metal melting process in induction furnace.

Słowa kluczowe

PL

piec indukcyjny; CFD; UDF; ANSYS Fluent; ANSYS Mechanical APDL

EN

induction furnace; CFD; UDF; electromagnetics; coupled model; ANSYS Fluent; Ansys Mechanical APDL

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Elektryka / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2015
• Tom: z. 126
• Strony: 243--250
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz.

Twórcy

autor

Buliński P.

• Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej

autor

Smołka J.

• Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej

autor

Golak S.

• Politechnika Śląska, Katedra Informatyki Przemysłowej

autor

Przyłucki R.

• Politechnika Śląska, Katedra Informatyki Przemysłowej

Bibliografia

• [1] Umbrasko A., Baake E., Nacke B., Jakovics A.: Numerical studies of the melting process in the induction furnace with cold crucible. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 2008.
• [2] Songa J.H., Mina B.T.: An electromagnetic and thermal analysis of a cold crucible melting, International Communications in Heat and Mass Transfer, 2005.
• [3] Spitans S., Jakovics A., Baake E., Nacke B.: Numerical modelling of free surface dynamics of melt in an alternate electromagnetic field, Magnetohydrodynamics, 2011.
• [4] Spitans S., Jakovics A., Baake E., Nacke B.: Numerical modelling of free surface dynamics of melt in alternate electromagnetic field, Journal of iron and steel research international, 2012.
• [5] Yang J., Chen R., Ding H., Guo J., Han J., Fu H.: Thermal characteristics of induction heating in cold crucible used for directional solidification, Applied Thermal Engineering, 2013.
• [6] Quintana I., Azpilgain Z., Pardo D., Hurtado I., Numerical Modeling of Cold Crucible Induction Melting, Proceedings of The COMSOL Conference, Boston 2011.
• [7] Golak S., Przylucki R.: A simulation of the coupled problem of magnetohydrodynamics and a free surface for liquid metals, WIT Transactions on Engineering Science 2009.
• [8] Pesteanu O., Baake E.: The Multicell Volume of Fluid (MC-VOF) method for the free surface simulation of MFD flows, Part I: Mathematical Model, ISIJ International, 2011.
• [9] Matsuzawa S., Hirata K., Yoshimura T., Yoshikawa G.: Numerical analysis of cold crucible induction melting employing FEM and MPS method, IEEE Transactions on Magnetics, 2013.
• [10] Adler K., Schwarze R., Galindo V.: Numerical modelling of the evaporation process of an electromagnetically stirred copper melt, Proceedings of the FLUENT CFD Forum 2005, Bad Nauheim 2005.
• [11] Blacha L., Golak S., Jakovics A., Tucs A.: Kinetic analysis of aluminium evaporation from the Ti-6Al-7Nb alloy, Archives of Metallurgy and Materials, 2014.
• [12] Golak S., Przylucki R., Barglik J.: Determination of a mass transfer area during metal melting in a vacuum induction furnace, Archives of Metallurgy and Materials, 2014.
• [13] Przylucki R., Golak S., Oleksiak B., Blacha L.: Influence of an induction furnaces electric parameters on mass transfer velocity in the liquid phase, Metalurgija, 2012.
• [14] Przylucki R., Golak S., Oleksiak B., Blacha L.: Influence of the geometry of the arrangement inductor - crucible to the velocity of the transport of mass in the liquid metallic phase mixed inductive, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2011.
• [15] Golak S., Przylucki R.: Inductor geometry modification for minimization of free surface shape area of melted metal, Przegląd Elektrotechniczny, 2010.
• [16] Golak S., Przylucki R.: The optimization of an inductor position for minimization of a liquid metal free surface, Przegląd Elektrotechniczny, 2008.