Цель работы: моделирование, исследование и разработка технологии индукционного нагрева стального изделия под закалку. Актуальность: российская нефтегазовая промышленность нуждается в масштабном обновлении, разработке современных решений и улучшении уже имеющихся продуктов, чтобы добиться высокого уровня импортонезависимости, а также для разработки новейших месторождений и обновления уже используемых. Основные результаты: создана математическая модель электромагнитных и тепловых процессов на базе пакета COMSOL Multiphysics, позволяющая проводить численное моделирование и исследование процесса индукционного нагрева стального изделия под закалку стальных бурильных труб 60,3 мм. Проведены исследования и получены распределения магнитного поля и температуры в расчетной области в различные моменты времени, проведены теоретические расчеты, такие как выбор рабочей частоты индукционной закалки; тепловой расчет бурильной трубы под закалку, электрический расчет индуктора. Выполнено сравнение результатов, полученных аналитическим методом, с результатами численного моделирования.

Work purpose: modeling, investigation and optimization of induction measurement of steel products for quenching. Relevance: the Russian oil industry needs a large-scale upgrade, development of modern solutions and improvement of existing products in order to achieve a high level of import independence, as well as to develop the latest fields and upgrade existing ones. Main results: the mathematical model of electromagnetic and thermal processes was created on the basis of the COMSOL Multiphysics package, which allows for numerical modeling and research of the induction heating process of a steel product for hardening 60.3 mm steel drill pipes. Studies were carried out and the distribution of the magnetic field and temperature in the computational domain at various points in time was obtained, theoretical calculations were carried out, such as the choice of the working frequency of induction hardening; thermal calculation of the drill pipe for hardening, electrical calculation of the inductor. The results obtained by the analytical method are compared with the results of numerical simulation.

• Введение
• 1 Теоретическая часть
  • 1.1 Основные уравнения электромагнитного поля
  • 1.2 Метод индукционной закалки
  • 1.3 Поверхностный эффект
  • 1.4 Эффект близости
  • 1.5 Изменение свойств стали в процессе нагрева
  • 1.6 Кольцевой эффект
• 2 Поверхностная закалка
  • 2.2 Способы закалки
    • 2.2.1 Одновременный способ закалки
    • 2.2.2 Непрерывно-оследовательный способ закалки
• 3 Охлаждение при поверхностной индукционной закалке
  • 3.1 Особенности охлаждения стали при поверхностной закалке
• 4 Аналитический расчет нагрева буровой трубы под индукционную поверхностную закалку
• В процессе индукционной поверхностной закалке должен нагреватся, лишь тонки слой на поверхности, для этого, как говорилось ранее, используется поверхностный эффект токов высокой частоты. Нагрев должен быть осуществлен до необходимой температуры и на ...
  • 4.1. Исходные данные для расчета
  • Расчет будет производиться для бурильной трубы, выбранной из каталога ТМК [5]:
    •  Внутренний диаметр трубы d = 46,08 мм;
    •  Наружный диаметр D2 = 60,3 мм;
    • Температура на поверхности (Т0) и на глубине хк=3мм (Тк) выбраны для наиболее часто используемых сталей бурильных труб Т0 = 900℃ и Тк = 750℃. Высота индуктора ℎ1 = 40 мм.
    • Рис. 4.1 Система индуктор – деталь для индукционной поверхностной закалки бурильной трубы (без спреера): 1 – индуктирующий провод индуктора, 2 – закаливаемая деталь, 3 – нагреваемая зона, 4 – колодка, 5 – шина
    • Свойства материала заготовки – средние при Т=0-800 градусах Цельсия [3]: удельное электрическое сопротивление ρ = 10-6 Ом∙м,
    • теплопроводность λ = 41,87 Вт/(м∙град);
    • температуропроводность а = 6,25∙10-6 м2/с.
    • Допущения в модели: витки индуктора – круговые, поток воды – ламинарный, свойства материалов – приблизительны, модель – идеальна.
  • 4.2 Выбор оптимальной частоты
    • Правильный выбор оптимальной частоты в значительной мере влияет на технико-экономические показатели. Он определяется следующими факторами: удельными потерями в индукторе, электрическим КПД индуктора, затратами электроэнергии, полным КПД установки и гл...
    • Глубина закаленного слоя выбирается из технико-логических требований. С обязательным учетом износа детали в процессе работы, распределением остаточных напряжений, а также удельных нагрузок, которым она подвергается. Исследования показывают, что цилинд...
    • ,
  • 4.3 Тепловой расчет нагрева бурильной трубы под закалку
  • 4.4 Электрический расчет индуктора
• 5 Моделирование системы индуктор-деталь
  • 5.2 Результаты смоделированной системы
• Заключение
• В процессе создания данной бакалаврской работы были получены все необходимые результаты, в частности был произведен выбор рабочей частоты индукционной закалки, для нашей задачи – 10кГц; тепловой расчет бурильной трубы под закалку (мощность, передавае...
• При использовании данных, полученных в ходе теоретического расчета, в программе Comsol Multiphysics была получена температура, незначительно отличающаяся от теоретической.
• Из этого можно сделать вывод, что созданная модель полностью подтверждает данные полученные в процессе теоретического расчета. А погрешность в нашем случае обусловлена, в большей степени, упрощением геометрии сеток и увеличением шага решателя, для ум...
• Также исходя из данных полученных в процессе моделирования, мы убедились в том, что заготовка успеет закалиться за это время на нужную глубину. А созданный нами спреер эффективно охлаждает деталь.
• Список используемой литературы