Elektromanyetik alan etkisindeki metallerin ısıl modellemesi

Abstract

İndüksiyonlu ısıtma, metal şekillendirmede kaliteli ürün üretebilmek için vazgeçilmez bir yöntemdir. Özellikle ISO standartlarının sağlanabilmesi için indüksiyonlu ısıl işlem uygulanmalıdır. İndüksiyonla ısıtma, üstünlükleri dolayısıyla mümkün olan her alanda katı ve sıvı yakıtlı ısıtmanın yerini alacaktır. Bu da metal işleme sektöründe indüksiyonlu ısıtmanın önemini daha da artıracaktır. Ülkemizde indüksiyonlu ısıtma ve ergitme fırınları üretimi üzerine çalışan az sayıda firma bulunmaktadır. Bu firmalar büyük ölçüde ya kopya ya da deneme yanılma yöntemi ile imalatlarını sürdürmektedirler. Yapılan işleme uygun indüktör tasarımı için deneme yanılma yerine mutlaka bilgisayar ortamında modelleme yapılması gerekmektedir.Bu tez çalışmasında, indüksiyonla ısıtma yöntemi hakkında detaylı bir literatür araştırması yapılmış; indüksiyonla ısıtmada metal malzemedeki sıcaklık dağılımını etkileyen elektromanyetik ve termal parametreler belirlenerek, ANSYS sayısal çözümleme programında bir model oluşturulmuştur. Oluşturulan simülasyon modelinde silindirik bir metalik malzemede bir, iki ve üç boyutlu olarak sayısal çözümleme sonuçları elde edilmiştir. Simülasyon programında indüksiyon bobini tasarımı için ihtiyaç duyulan güç ve frekans ile malzemenin manyetik geçirgenlik, özdirenç, ısı iletim katsayısı ve malzemenin indüktör içerisindeki konumu sınır şartları olarak belirlenmiştir. Bu değişkenlere bağlı olarak malzeme üzerindeki sıcaklık ve manyetik alan dağılımları elde edilmiştir.Sayısal çözümleme yanında sayısal çözümlemenin doğrulanabilmesi için, özel olarak imal edilmiş bir indüksiyon bobini içerisine özellikleri bilinen silindirik metal malzeme yerleştirilerek ısıtılmış ve deneysel olarak malzeme üzerindeki sıcaklık değerleri ölçülmüştür. Deneyde kullanılan malzeme boyutları ve özellikleri ile diğer parametreleri aynı seçilen ANSYS modelleme sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak verilmiş ve irdelenmiştir.

Shaping metals by using induction heating is indispensable to produce high quality products. Especially to catch up with the ISO standards induction heating should be applied. With the benefits it brings, induction heating will take over oil-fired heating?s place in every possible field. As a result of it; the importance of induction heating will increase in metal processing sector. In our country, there are limited number of companies that produces heating and melting ovens. These companies continues to produce their products in a way using trial and error method or majorly facsimileing. Using computer aided modeling is vital while designing inductors instead of using trial and error method.In this thesis, a comprehensive literature search about induction heating is done and an ANSYS numerical analysis which is created in a way carefully considering the electromagnetic and thermal parameters that shows up in induction heating. By using the simulation model, there are 1D, 2D and 3D numerical analysis has been done on the cylindrical metal material. On the simulation software; power and frequency required for designing the induction coil and magnetic permeability, resistivity, heat transfer coefficient and position and boundaries of the material, is determined. Depending on these variants, dispersion of the heat and the magnetic field are obtained.Besides numerical analysis, to correct numerical analysis, a cylindrical metal material which has known features, is placed into a specially produced induction coil and heated. After that temperature values are experimentally measured. Size and features of the material which is used in the tests are compared and explored with the ANSYS modeling results that uses the same size and features.