ТЕСЛАЙН - Индукционное оборудование ТВЧ

ТВЧ-нагрев в производстве отводов: Как индукция создает идеальный изгиб

2026-01-12 17:19:00

Введение

Современные трубопроводные системы высокого давления требуют безупречной точности от каждого элемента. Крутоизогнутые отводы, используемые в нефтегазовой, энергетической и химической отраслях, — это критически важные компоненты, от которых зависит надежность и безопасность всего объекта. Классические методы гибки часто не обеспечивают требуемой однородности металла. Ответом на этот вызов стала передовая технология горячей протяжки с применением токов высокой частоты (ТВЧ). Именно современные ТВЧ-установки позволяют производителям отводов добиваться соответствия строжайшим стандартам, таким как ГОСТ 17375-2001 (ИСО 3419-81).

Вызовы производителей отводов и решение

Печной нагрев всей заготовки — технология прошлого, которая приводит к ряду проблем:

Высокий расход энергии: Нагрев всей заготовки нерационален.
Образование окалины: Значительные потери металла и ухудшение качества поверхности.
Неоднородность структуры: Перепады температур вызывают внутренние напряжения.

Решение — это переход на технологию индукционной протяжки. Ключевым элементом, который делает эту технологию возможной, является высокочастотная индукционная установка (ТВЧ).

Технология протяжки: Роль ТВЧ-установки (УИН) как сердце процесса

Технология горячей протяжки по рогообразному сердечнику — это процесс контролируемой пластической деформации. Трубная заготовка протягивается через изогнутую оправку, а локальный индукционный нагрев от ТВЧ-генератора обеспечивает пластичность металла именно в зоне деформации.

Задачи, которые решает современная ТВЧ-установка:

Локализация нагрева: Нагрев только деформируемого участка, а не всей заготовки.
Скорость и контроль: Мгновенный выход на рабочие температуры (1100–1250 °C) и точное поддержание режима.
Обеспечение пластичности: Создание идеальных условий для пластической деформации без разрывов.

Физические основы и преимущества ТВЧ-нагрева

Нагрев осуществляется за счет явления электромагнитной индукции. Ток высокой частоты от вашего ТВЧ-источника создает переменное магнитное поле в индукторе, которое наводит вихревые токи в поверхности заготовки, вызывая ее быстрый и равномерный нагрев.

Ключевые эффекты, которые обеспечивают установки ТВЧ:

Скин-эффект: Концентрация энергии на заданной глубине для контролируемого прогрева.
Однородность: Равномерный прогрев по сечению, что критично для формирования мелкозернистой структуры (до 10±2 мкм) после рекристаллизации.

Экономические выгоды для производителей отводов

Оснащение производства современной ТВЧ-установкой — это стратегическое решение, которое напрямую влияет на рентабельность.

Преимущество ТВЧ-установки	Прямой экономический эффект для производителя
Высокая производительность	Скорость процесса в 2-4 раза выше, чем при печном нагреве. Рост объемов выпуска.
Энергоэффективность	Целевая подача энергии экономит до 60-70% электроэнергии. Снижение себестоимости.
Снижение потерь металла	Минимальное образование окалины сокращает расход материала на 20-30%.
Превосходное качество продукции	Равномерный прогрев обеспечивает однородную структуру металла, что позволяет выпускать отводы высшего класса и повышает конкурентоспособность.
Надежность и долговечность	Современные ТВЧ-установки, такие как наши, отличаются высокой надежностью и снижают эксплуатационные расходы.

Широта технологических возможностей

Наши ТВЧ-установки спроектированы для работы с широким спектром материалов, используемых в производстве отводов, включая:

Углеродистые стали (например, сталь 20)
Низколегированные стали (09Г2С)
Легированные стали (13ХФА, 20ФА)
Нержавеющие стали (12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т)

Почему производители отводов выбирают наши ТВЧ-установки?

Инвестируя в наше оборудование, вы приобретаете не просто генератор, а ключевой актив для модернизации производства.

Это позволяет вам:

Выйти на новые рынки, предлагая продукцию премиум-качества.
Снизить себестоимость производства за счет повышения эффективности.
Увеличить производительность цеха без расширения площадей.
Гарантировать соответствие своей продукции самым строгим международным и отечественным стандартам.

Заключение
В современной промышленности технологическое оборудование определяет конкурентоспособность. ТВЧ-установка для индукционной протяжки — это не опция, а необходимое условие для лидерства в сегменте производства высококачественных отводов. Это инвестиция, которая окупается за счет безупречного качества продукции, снижения издержек и повышения надежности вашего производства.

Готовы модернизировать свое производство с помощью передовой технологии ТВЧ-нагрева? Наши специалисты помогут подобрать установку, идеально соответствующую вашим технологическим задачам.

Свяжитесь с нами для консультации по тел. +7(3822) 60-91-02, e-mail: info@tesline.ru

Мультифизическое конечно-элементное моделирование контурной индукционной закалки зубчатых передач

2025-07-22 13:55:00

Индукционный нагрев широко применяется в области термической обработки деталей для автомобильной и аэрокосмической промышленности, в частности, для закалки деталей самых разных типов. Главные преимущества этой технологии заключаются в высокой повторяемости обрабатываемых изделий, а также в высокой скорости и автоматизации процесса обработки, что обеспечивает эффективность производства и снижение воздействия на окружающую среду. В настоящее время численные методы приобретают всё большую значимость в качестве эталонного метода анализа для оптимизации основных параметров процесса, в том числе благодаря возможности объединения различных физических процессов, что ещё несколько лет назад было невозможно. Целью данной работы является анализ и численное моделирование процесса индукционной закалки зубчатых колёс для аэрокосмической промышленности. В данной диссертации будет показано, как, опираясь на электромагнитные и термические модели, уже широко используемые в последние годы как в исследовательской, так и в промышленной сфере, можно рассчитать фазовые превращения, происходящие в стали на этапах нагрева и охлаждения. Разработанный алгоритм будет сначала применён к случаю простой двумерной геометрии, а затем уровень сложности будет постепенно увеличиваться (как с вычислительной, так и с технологической точки зрения), применяя алгоритм к процессу индукционной закалки зубчатого колеса. Полученные таким образом численные результаты будут проверены экспериментально.

Mattia Spezzapria Published 1 February 2016, Engineering, Materials Science, https://www.semanticscholar.org/

Законы, физические величины и свойства применяемых материалов, определяющие индукционный нагрев

2024-01-21 20:27:00

Для быстрой навигации по статье нажмите ссылку:

→ 1. Область применения токов высокой частоты

→ 2. Поверхностный эффект, глубина проникновения тока

→ 3. Формы и размеры проводника

→ 4. Магнитная проницаемость

→ 5. Электрическое сопротивление

→ 6. Теплоемкость

→ 7. Теплопроводность

→ 8. Температуропроводность

1. Область применения токов высокой частоты

Под высокочастотным нагревом (нагрев токами высокой частоты) понимается нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое тело с помощью электромагнитного поля. В зависимости от того, какая составляющая электромагнитного поля играет основную роль, различают нагрев в магнитном поле (индукционный нагрев) и электрическом поле (диэлектрический или «емкостный» нагрев). Системы высокочастотного нагрева имеют ряд особенностей:

нагрев может осуществляться только на переменном токе;
понятие «высокая» или «низкая» частота является относительным и определяется соотношением размеров тел и длины электромагнитной волны в их материале;
в системах всегда имеется реактивная мощность (индуктивная или емкостная), причем ее величина обычно много больше активной;
системы являются объектами с распределенными параметрами, что усложняет измерения в них и расчеты.

Для индукционного нагрева используются частоты от 50 Гц до 5 мГц, для диэлектрического - от сотен килогерц до тысяч мегагерц.

Индукционный нагрев успешно применяется для следующих технологических процессов:

плавки металлов в открытых и вакуумных индукционных печах;
индукционного нагрева заготовок под штамповку, прокатку, гибку и другие способы пластической деформации;
поверхностной индукционной закалки;
индукционного нагрева для термообработки (отжиг, отпуск, рекристаллизация, нормализация, закалка) сортового проката, труб, лент;
сварки труб, профилей и кабельных оболочек;
высокочастотной пайки и наплавки инструмента для механической обработки (резцы, фрезы, протяжки и др.) и горнобурового инструмента (долота, шарошки), изоляторов и выводов конденсаторов, всевозможных трубчатых соединений и других изделий, которые трудно изготовить в виде цельных конструкций;
индукционного нагрева с целью сушки или оплавления лаковых, полиэтиленовых и других антикоррозионных, термозащитных и электроизоляционных покрытий лент, труб и профилей;
индукционного нагрева труднообрабатываемых материалов перед механической обработкой резанием (слябы, слитки из титановых и других специальных сплавов);
бестигельной зонной плавки и очистки полупроводниковых материалов-кремния, германия и др.;
эпитаксиального наращивания пленок чистых металлов и полупроводников;
плавки металлов во взвешенном состоянии;
обогрева технологического оборудования (трубопроводы, химические реакторы, экструдеры, пресс-формы и т. д.);
индукционного нагрева газов (воздух, кислород, аргон, ксенон и др.) для осуществления химических реакций и проведения различных высокотемпературных технологических процессов.

Диэлектрический нагрев используется для разнообразных технологий, основными из которых являются:

сушка древесины, пряжи, сыпучих материалов типа люминофоров и т. д.;
склейка изделий из древесины (оконные переплеты, двери, щиты, мебель, музыкальные инструменты); полимерных и комбинированных материалов;
сварка изделий из полихлорвинила и других пластмасс, а также синтетических волокон и пленок;
подогрев пресс-порошков перед штамповкой;
подогрев с целью ускорения полимеризации при изготовлении изделий из стеклопластиков и реактопластов;
формование изделий из пенополистирола при изготовлении тепловой изоляции холодильников, упаковочной тары, теплоизоляционных плит, моделей для точного литья и т. д.;
сушка литейных стержней;
дефростация и разогрев пищевых продуктов.

Общая и единичная мощность установок диэлектрического нагрева, используемых в промышленности, значительно меньше, чем индукционных, а их конструкция в сильной степени определяется особенностями технологического процесса. Проектирование таких установок сводится или к выбору существующих установок, включающих источник питания и технологическое устройство, или к индивидуальному проектированию специальной установки с одновременной разработкой технологического процесса.

Имеется много других весьма эффективных применений токов высокой частоты в промышленном производстве. Области и масштабы их использования непрерывно расширяются.

2. Поверхностный эффект, глубина проникновения тока

Индукционный нагрев осуществляется вихревыми токами, индуктированными в нагреваемом предмете. Поэтому индукционным способом можно нагревать только электропроводящие материалы. Вихревые токи возникают в проводнике, если его поместить в переменное магнитное поле. Эти токи всегда замыкаются в нагреваемом теле и протекают в плоскости, перпендикулярной напряженности магнитного поля. Магнитное поле образуется индуктором, когда по нему пропускают переменный ток.

Применяется большое количество разнообразных конструкций и форм индукторов: Однако в большинстве случаев индукторы - это одновитковые или многовитковые катушки, изготовленные из медной трубки. Когда индуктор возбуждает магнитное поле, направленное по оси детали, говорят, что индукционный нагрев осуществляется в продольном магнитном поле. Если же направление поля перпендикулярно оси нагреваемой детали, говорят, что индукционный нагрев осуществляется в поперечном магнитном поле. Плотность индуктированных в проводнике вихревых токов по сечению проводника неодинакова, она уменьшается от поверхности к центру. Это явление носит название поверхностного эффекта. Поверхностный эффект наблюдается при любой форме проводника.

Рис. 1. Проявление поверхностного эффекта в цилиндре при разных частотах

На рис. 1 показано распределение тока и мощности по слоям одинаковой толщины в цилиндрическом проводнике из немагнитной стали диаметром 50 мм, помещенном в магнитное переменное поле частотой 500 и 10 ООО Гц. Ток в индукторе принят одинаковым при той и другой частоте.

В соответствии с распределением тока в поверхностном слое выделится наибольшая мощность. Действительно, в нашем случае при частоте 10 000 Гц 75% всей мощности, переданной в проводник, выделилось в первом слое. Поверхностный эффект выражен при прочих равных условиях более резко там, где частота выше.

Амплитуда плотности тока в массивном однородном теле убывает непрерывно по экспоненте e ^-x^/^Δ. На расстоянии Δ от поверхности она уменьшается в е ≈ 2,718 раз (основание натурального логарифма).

Величина Δ, называемая глубиной проникновения тока в данный материал, играет очень большую роль в теории индукционного нагрева. Она служит своеобразной единицей измерения, определяющей линейные размеры нагреваемых тел и индуктора, и широко используется в электрических и тепловых расчетах. Если минимальный линейный размер поперечного сечения тела, в котором протекают вихревые токи, много больше Δ (в восемь и более раз), то частота является высокой (или тело массивным), если же он меньше Δ, то частота низкая (или тело «прозрачное» для электромагнитного поля данной частоты).

В массивном теле в пределах слоя толщиной Δ выделяется почти вся энергия (86,5%), а мощность, передаваемая в тело, может быть точно найдена, если считать, что весь индуктированный ток равномерно распределен в слое Δ. Это позволяет находить сопротивления тел при ярком поверхностном эффекте по формулам для постоянного тока. В общем случае Δ теряет свою физическую интерпретацию и является расчетной величиной, характеризующей длину электромагнитной волны в материале (λ = 2лΔ) и зависящей только от его свойств и частоты тока:

где ρ - электрическое сопротивление материала проводника, Ом∙см; μ - относительная магнитная проницаемость; f - частота тока, Гц.

Для ферромагнитных материалов различают глубину проникновения в холодный металл Δ_x (до температуры точки Кюри) и в горячий металл - Δ_г или Δ₂. Значения глубины проникновения Δ для разных материалов и частот приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения глубины проникновения тока (см)

3. Формы и размеры проводника

Из рис. 1 видно, что при частоте 500 Гц мощность, выделенная в цилиндре, меньше, чем при 10000 Гц. Это свидетельствует о низком к. п. д. индуктора, а при 500 Гц, что всегда наблюдается при слабо выраженном поверхностном эффекте, к. п. д. будет выше, если диаметр цилиндра увеличить. Для сравнительной оценки результатов индукционного нагрева и удобства решения уравнений электромагнитного поля для каждой формы проводника введен безразмерный параметр т - показатель степени поверхностного эффекта. Из всего многообразия форм проводников выделяют обычно три наиболее распространенных:

сплошной цилиндр с радиусом R₂

пластина прямоугольной формы с толщиной h₂

полый цилиндр с толщиной стенки τ₂ (труба)

Характеристики нагрева, например распределение плотности тока, у тел одинаковой формы (подобных тел) будут те же самые, если их показатели степени поверхностного эффекта равны. Например, частота 50 Гц при нагреве цилиндра радиусом 280 мм аналогична частоте 2500 Гц при нагреве цилиндров радиусом 40 мм из того же материала, так как в обоих случаях показатель т один и тот же. Таким образом, показатель степени поверхностного эффекта определяет относительную частоту или относительный размер тела.

4. Магнитная проницаемость

Относительная магнитная проницаемость большинства материалов близка к единице, лишь немного превышая ее для парамагнетиков или не достигая для диамагнетиков. Сюда относятся все газы, большинство непроводниковых материалов и металлов - медь, алюминий, титан, графит, аустенитные стали и др.

Вещества, у которых относительная магнитная проницаемость значительно превышает единицу, называются ферромагнетиками. К ним относятся железо, кобальт, никель и сплавы на их основе, в том числе большинство сталей и чугунов. Для ферромагнетиков характерна зависимость μ от напряженности магнитного поля, температуры и ряда других факторов, таких, как характер термообработки, предварительное намагничивание и т. д.

С повышением температуры μ может несколько снижаться (в сильных полях) или возрастать (в слабых полях), а затем при определенной температуре, называемой точкой Кюри, резко падает до единицы. Для сталей точка Кюри равна 740-780° С, для никеля - 360° С, кобальта- 1140° С.

Рис. 2. Усредненные магнитные свойства стали:
1 - кривая намагничивания В = f (H); 2, 3, 4 - зависимость H²от Н (значения H^z надо умножить 10⁵ ;10⁶; 10⁷ соответственно для каждой из этих кривых)

Зависимость μ от H сложна и неоднозначна. Различают несколько видов магнитной проницаемости (усредненная, динамическая и т. д.), однако при расчетах индукторов обычно используется μ, определяемая по основной кривой намагничивания для действующего значения напряженности магнитного поля. С увеличением H проницаемость быстро растет, достигает максимума при некоторой напряженности H называемой критической, и затем падает, стремясь в пределе к единице. В слабых и средних полях μ различных ферромагнетиков существенно различается (в десятки раз), однако в сильных полях (H >> H_кр), характерных для индукционного нагрева, кривые намагничивания отличаются мало. Усредненная кривая намагничивания для углеродистых сталей и зависимость H² √μ приведены на рис. 2. Они позволят связать напряженность поля и μ с удельной мощностью, поглощаемой ферромагнетиком в переменном магнитном поле. При этом напряженность поля от поверхности в глубь центра уменьшается и μ возрастает. Если поверхностный эффект выражен сильно, плотность тока в ферромагнетике меняется почти по прямой, а удельная мощность равна

где Н_e - действующее значение напряженности магнитного поля на поверхности среды, А/см; μ_е - относительная магнитная проницаемость на поверхности, ; ρ - удельное сопротивление, Ом∙см; Δ_е - глубина проникновения тока при μ= μ_е(табл. 2).

Отсюда , где ρ₀ взято в кВт/см². Зная ρ₀, находим и затем по кривой рис. 2 - Н_е и μ_e. В логарифмическом масштабе зависимости μ_е = f (Н_е), μ_е == f (ρ₀) и Δ_е = f ( f, ρ₀) близки к прямым и более удобны для использования (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость магнитной проницаемости стали μ и глубины проникновения тока Δ от удельной мощности ρо при различных частотах тока f (μ- сплошные линии слева вниз направо; Δ - сплошные линии слева вверх направо; Δ-штриховые линии при масштабе справа; μ = f (Н) - штрих-пунктирная линия)

Если поверхностный эффект в ферромагнетике выражен неярко, необходимо специальное рассмотрение зависимости μ от ρ₀.

Следует отметить, что магнитная проницаемость сталей аустенитного класса, например стали XI8H10T, может отличаться от единицы (μ = 1,5÷2,0) из-за наличия остаточного феррита.

Таблица 2. Значения Δ, μ_е для углеродистой стали при ρ= 18-10^-6 Ом∙См

5. Электрическое сопротивление

Известно, что электрическое сопротивление металлов с ростом температуры возрастает (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость удельного электросопротивления материалов от температуры

Для ферромагнетиков наибольшее изменение происходит при температуре точки Кюри. В дальнейшем рост его замедляется. При температурах выше 1000° С сопротивление сталей различных марок практически становится одинаковым. В табл. 3 указаны сопротивления материалов, наиболее часто нагреваемых индукционным методом.

Таблица 3. Удельное сопротивление металлов

6. Теплоемкость

Значения теплоемкости можно найти в табл. 3 и 4. С повышением температуры теплоемкость возрастает. Теплоемкость большинства чистых металлов лежит в пределах 5,8-6,2 ккал/г °С (г∙атом- вес вещества в граммах, равный атомному весу). Средняя теплоемкость в диапазоне температур 50-1300° С равна 0,16 кал/г∙°С практически для всех марок сталей.

Таблица 4. Значения средней теплоемкости с (кал/г-° С) в интервале от 50° С до Т для различных сталей

7. Теплопроводность

С ростом температуры теплопроводность чистых металлов обычно понижается. Исключение представляют алюминий и некоторые сплавы, например нержавеющая сталь Х18Н10Т, у которых теплопроводность растет при увеличении температуры. Теплопроводность всех марок сталей сближается при температуре выше 800° С. Среднее значение ее для стали (900° С) равно 0,065 кал/см∙с∙°С. Значения коэффициента теплопроводности для некоторых металлов и сплавов приведены в табл. 3.

8. Температуропроводность

Температуропроводность является расчетной величиной, характеризующей скорость распространения температуры и зависящей от теплоемкости, теплопроводности и удельного веса материала в соответствии с формулой . Температуропроводность оказывает значительное влияние на результаты тепловых расчетов. Поэтому выбирать ее рекомендуется с учетом температуры нагрева (табл. 5).

Таблица 5. Значения коэффициента температуропроводности а (см²/с) для различных сталей

Источник: "Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок" Шамов А. Н., Бодажков В. А.

Индукционная поверхностная закалка - режимы, мощность, индукторы, рекомендации

2023-09-01 00:00:00

1. Основные параметры режимов закалки

При индукционной поверхностной закалке производится быстрый нагрев на заданную глубину током, индуктированным в поверхностном слое.детали, с последующим охлаждением.

В результате такой закалки получается высокая твердость поверхности при сохранении вязкости сердцевины. Метод индукционной поверхностной закалки предложен проф. В. П. Вологдиным, развит им и сотрудниками его лаборатории до промышленного внедрения.

Основными параметрами, характеризующими высокочастотную закалку, являются:

1. Глубина закаленного слоя х_к, она принимается равной (условно) расстоянию от поверхности до той зоны, где в структуре имеется 50% мартенсита. Практически эта глубина определяется по твердости, так как для каждой марки стали твердость полу- мартенситной структуры известна. Для стали 45 она равна 42- 45Rc.

2. Время нагрева под закалку - время, необходимое для повышения температуры слоя на глубине х_к до закалочной. При выбранной частоте тока время закалки в большинстве случаев определяет глубину закаленного слоя. Кроме того, оно является единственным параметром режима нагрева, который точно дозируется при помощи реле времени и легко - контролируется непосредственным измерением. Поэтому время нагрева может быть принято в практике в качестве основного параметра режима нагрева.

3. Температура закалки Т_к - температура, при достижении которой за время t_k произойдут необходимые структурные изменения. Для каждой марки стали существует оптимальный интервал температур Т_к. При более низкой температуре в структуре закаленного слоя наблюдается остаточный феррит - твердость снижается. При более высокой температуре в закаленном слое наблюдается крупноигольчатый мартенсит и аустенит. Твердость также снижается. Интервал смещается в область более высоких температур при увеличении скорости нагрева. В табл. 19 приведены данные по выбору температуры нагрева при различных режимах.

Таблица 19. Температура закалки при разных режимах нагрева, °С

4. Перегрев наружного слоя ΔТ - превышение температуры поверхности закаливаемой детали над температурой закалки на глубине х_к.

5. Скорость нагрева v_н (град/с), ее принято вычислять как среднюю в интервале температур структурных превращений, т. е. практически от момента достижения температуры, соответствующей потере магнитных свойств, до момента достижения температуры закалки.

6. Критическая скорость охлаждения. Мартенсит при закалке получается только при условии охлаждения со скоростью, превышающей определенную, так называемую критическую. Для каждой марки стали характерна своя критическая скорость. Скорость охлаждения по мере удаления от поверхности резко уменьшается. В зависимости от требуемой скорости охлаждения применяют различные охлаждающие среды. Изделия из углеродистой стали обычно охлаждают в воде или в водном растворе соли. Легированные стали требуют меньших скоростей охлаждения. Поэтому для них иногда применяют масло. Скорость охлаждения в области мартенситных превращений для углеродистых сталей равна 400-500 град/с, а для легированных - 50- 200 град/с. Резкое повышение скорости охлаждения может вызвать трещины в закаленном слое, особенно у тел сложной конфигурации (шестерни, кулачки и т. д.).

Скорость охлаждения водой зависит от давления, под которым вода попадает на поверхность, и от температуры воды.

7. Термический к. п. д. η_t. Под η_t, понимают отношение тепла, потребного для нагрева поверхностного слоя глубиной х_к до температуры Т_к, ко всему теплу, сообщаемому телу. Термический к. п. д. определяется типом нагрева и температурой перегрева.

Рис. 24. Два способа нагрева под закалку:
1 - поверхностный; 2 - глубинный

Различают два типа нагрева (рис. 24):

1) глубинный, когда Δ₂ > х_к, а удельная мощность на единицу нагреваемой поверхности достаточно велика;

2) поверхностный, при котором Δ₂ < х_к. Удельная мощность в этом случае незначительна.

При поверхностном типе нагрева тепло выделяется в тонком слое и глубже распространяется путем теплопроводности. В табл. 20 указаны характерные особенности обоих типов нагрева.

Таблица 20. Типы индукционного нагрева под закалку и их характеристики

Характеристики	Типы нагрева
Характеристики	Глубинный	Поверхностный
Выделение тела при нагреве	Главным образом внутри закаленного слоя	В тонком поверхностном слое
Распределение температуры	Приближается к прямоугольнику	Как при нагреве внешними источниками тепла
Перегрев поверхности	Малый	При быстром нагреве значителен
Нагрев внутренней незакаливаемой части детали		Значителен
Время нагрева	Мало (секунды)	Значительное, особенно при малом перегреве и больших глубинах
Термический к.п.д. при перегреве в 100 °С	20 - 30%	Менее 13 %

Очевидно, что во всех случаях индукционной поверхностной закалки нужно стремиться к осуществлению глубинного способа нагрева.

Таблица 21. Глубина закалки для различных частот

Глубина закаленного слоя, мм	Частота, гц
Глубина закаленного слоя, мм	8,0	2,5	1,0	0,05
Наименьшая	1,3	2,4	3,6	17
Наибольшая рекомендуемая	5,5	10,0	16,0	70
Оптимальная	2,7	5,0	8,0	34

На основании этих условий в табл. 21 приведены значения наиболее выгодной глубины закаленного слоя и возможных пределов ее изменения для различных частот.

Рис. 25. Зависимость времени нагрева под закалку t_K ( - ) и удельной мощности р₀, сообщаемой детали ( - -), от диаметра нагреваемого цилиндра при частоте 2500 Гц при различных глубинах закаленного слоя х_к

Рис. 26. Зависимость времени нагрева под закалку t_K (-) и удельной мощности р₀, сообщаемой детали (- -), от диаметра нагреваемого цилиндра при частоте 8000 Гц

Рис. 27. Зависимость времени нагрева под закалку t_к (-) и удельной мощности р₀, сообщаемой детали ( -), от диаметра нагреваемого цилиндра при радиочастоте

На рис. 25-27 приведены кривые, по которым можно определить время нагрева и удельную мощность при радиочастоте, 2500 и 8000 Гц (цифры на кривых указывают глубину закаленного слоя в сантиметрах).

Графики действительны для углеродистых и низколегированных сталей при температуре поверхности 900°С.

2. Определение мощности генератора

Техническими условиями на закалку задаются твердость и глубина закаленного слоя, границы его расположения, указывается марка стали, исходная термическая обработка и требуемая производительность процесса.

По заданной глубине закаленного слоя и размерам детали выбирается наиболее подходящая стандартная частота тока; выбирается или разрабатывается заново процесс закалки, конструкция индуктора и закалочного станка, схема питания с учетом максимальной нагрузки оборудования и обеспечения заданной производительности.

По выбранным значениям t_K и р₀ определяется мощность генератора (в кВт)

где S - площадь, нагреваемая под закалку, см²; р₀ - удельная мощность в кВт/см²; η_и, η_тр, η_k, η_л - к. п. д. индуктора, трансформатора, конденсаторной батареи и линии передачи.

Для предварительных расчетов можно рекомендовать следующие значения к. п. д.: η_и= 0,75; η_тр = 0,87; η_k = 0,97; η_л = 0,95. Точные значения определяются расчетом.

Пример. Требуется закалить шейку коленчатого вала диаметром 85 мм и шириной 58 мм. Глубина закаленного слоя должна быть в пределах 4-3,5 мм, ширина - 50 мм. По табл. 21 выбираем частоту тока 2500 Гц. По кривой рис. 25 для 2500 Гц находим, что время закалки должно быть в пределах 6-6,5, а удельная мощность 1,15-0,9 кВт/см². Такой режим нагрева обеспечивает заданную глубину закаленного слоя. Среднее значение мощности, отдаваемой генератором, равно

Опытом установлен следующий режим закалки:

Частота, Гц .......................................................................2400

Время закалки, с...............................................................6-7,5

Мощность от генератора, кВт .................................150-170

Когда площадь, подлежащая закалке, невелика, или когда требуется большая производительность процесса, рекомендуется применять одновременный способ закалки. В этом случае нагревается одновременно вся зона, подлежащая закалке. При достижении необходимой температуры нагрев прекращается и производится охлаждение детали. Если подвергающаяся упрочнению поверхность детали велика (например, валы холодной прокатки, станины станков и др.), при одновременном нагреве необходимы слишком большие мощности питающих генераторов, что становится неосуществимым или экономически невыгодным. Для таких деталей применяется непрерывно-последовательный способ закалки. При этом способе нагрев производится постепенно при непрерывном перемещении индуктора или детали относительно друг друга. Нагретые участки также непрерывно охлаждаются, как бы следуя друг за другом (рис. 28).

Рис. 28. Закалка непрерывно-последовательным способом: а - начало нагрева при неподвижном индукторе; б - продолжение нагрева при движении индуктора и подаче охлаждающей жидкости; в - положение в момент включения при закалке «находом»; г- продолжение закалки «находом»

Охлаждающая жидкость подается на нагретую поверхность из душевой камеры, часто являющейся полостью индуктирующего провода. При непрерывно-последовательном способе закалки время нагрева определяется приближенно

где l1 - ширина индуктирующего провода; v - скорость перемещения индуктора (или детали).

Вследствие растекания тока под индуктором реальное время нагрева больше расчетного t_K, особенно при малой ширине провода, соизмеримой с зазором индуктор-деталь.

Мощность генератора в этом случае следует увеличить на 20% для компенсации утечки тепла от зоны нагрева к зоне охлаждения.

Непрерывно-последовательный способ позволяет закалить большие поверхности при сравнительно малых мощностях. Очевидно, что производительность закалки при этом пропорционально уменьшается. Пользуясь табл. 21 и графиками рис. 25-27, можно выбрать частоту тока, рассчитать потребные мощности и скорость перемещения при заданных условиях на закалку так, как это было проделано для одновременной закалки. Можно также путем подбора ширины индуктирующего провода обеспечить режим закалки при заданном типе генератора. Например, требуется закалить внутреннюю поверхность гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Внутренний диаметр гильзы d₂ = 144 мм, толщина стенки т₂ = 12 мм, длина зоны, подлежащей закалке, l₂ = 330 мм, требуемая глубина закаленного слоя х_к = 2,2ч2,5 мм.

По табл. 21 выбираем частоту тока 8000 Гц. Зазор между индуктором и деталью 3 мм. По графику рис. 26 находим время нагрева, обеспечивающее глубину закаленного слоя в 2,2- 2,5 мм, t_K = 2ч3 с и удельную мощность р₀ = 1,71ч,5 кВт/см².

Если имеются два генератора ВПЧ 100-8000 по 100 кВт, можно найти предельную ширину активного индуктирующего провода (индуктор с магнитопроводом):

К. п. д. индуктора 75%. Скорость движения индуктора равна

Время движения индуктора с нагревом

Можно подсчитать и производительность закалки, если учесть время на перестановку детали.

3. Индукторы для закалки

Индуктор имеет ряд обязательных основных элементов (рис. 29): индуктирующий провод, создающий магнитной поле (1); токоподводящие шины (2); колодки, служащие для соединения индуктора с понижающим трансформатором (3).

Рис. 29. Индуктор для одновременной закалки: а - при средней частоте; б - при радиочастоте

При одновременной закалке зазор между закаливаемой поверхностью и индуктирующим проводом не должен превышать 5- 10% от диаметра закаливаемой детали и не должен быть больше 10-15% ширины закаливаемого слоя. Когда вращение детали не предполагается, желательно иметь зазор не менее 2-3 мм. Увеличение зазора уменьшает к. п. д. и коэффициент мощности индуктора. Ширина индуктирующего провода выбирается на 10-20% больше ширины закаленного слоя. Толщина меди индуктирующего провода, если отсутствует постоянное охлаждение, должна быть в 2,5-4 раза больше требуемой глубины закаленного слоя, но не свыше 12 мм; т₁ (2,5÷4) х_к. Это обеспечивает допустимое повышение температуры индуктирующего провода во время нагрева.

Отверстия для закалочной воды просверливаются диаметром 1,5-2 мм в шахматном порядке при расстоянии между центрами 7-12 мм. Воду подают через камеру, припаянную с внешней стороны индуктирующего провода. Токоподводящие шины выполняются из листовой меди толщиной 2-5 мм. Ширина шин у колодок, служащих для присоединения к закалочному трансформатору, должна быть равна высоте выводов вторичной обмотки трансформатора. Расстояние между шинами не следует увеличивать свыше 2-3 мм, так как при этом возрастает индуктивность шин. Длина их должна быть в пределах 100-150 мм. Увеличивать длину шин без особой надобности не рекомендуется.

При непрерывно-последовательной закалке индуктирующий провод выполняется из медной трубки прямоугольного сечения, непрерывно охлаждаемой водой. Толщина трубки, выбирается близкой к оптимальной, ширина провода - как указано в примере. Вода или эмульсия для охлаждения под закалку подается через отверстия, расположенные по окружности на одной из граней индуктирующего провода. Угол падения струи воды на поверхность детали не должен превышать 45°. Часто для охлаждения используют специальный спрейер (душевое устройство), который крепится на индукторе после индуктирующего провода. Иногда дополнительно устанавливается кольцо с такими же отверстиями, как и на индуктирующем проводе, через которые подается воздух, предотвращающий попадание воды на нагретую поверхность. Воздушное кольцо и спрейер изолируются от токоведущих шин индуктора или изготовляется из токонепроводящих материалов (нейлон).

4. Индукторы с магнитопроводом

Рис. 30. Индуктор с магнитопроводом: а - для нагрева внутренних поверхностей; б - для нагрева плоских поверхностей

Магнитопровод (рис. 30) применяется для вытеснения тока в сторону открытого паза, главным образом, при закалке внутренних или плоских поверхностей, а также в случаях, где требуется неодинаковая степень нагрева. Без магнитопровода ток в силу кольцевого эффекта концентрируется на внутренней, удаленной от нагреваемой детали, поверхности индуктирующего провода, напряженность поля на поверхности детали падает и к. п. д. индуктора резко уменьшается. Магнитопровод изготовляют из пластин трансформаторной стали марки Э42 или Э44 толщиной 0,2 или 0,35 мм. Для радиочастоты используют ферриты. Ширина паза в магнитопроводе выбирается равной заданной ширине нагретой полосы. Индукция в магнитопроводе не должна превышать 5000 Гс при частоте до 2500 Гц, 3000 Гс при 8000 Гц и 1000 Гс при радиочастотах (ферриты). При больших значениях индукции требуется специальное охлаждение магнитопроводов.

Индукция в магнитопроводе

где U₁₀ - напряжение на единицу длины индуктирующего провода (с магнитопроводом), В/см; g_c - коэффициент заполнения стали, можно принять g_c - 0,8; с' - ширина башмака, см.

Для индукторов с магнитопроводом при нагреве стали под закалку с зазорами 4-6 мм напряжение и ток индуктора без большой ошибки можно вычислить следующим образом:

для частоты 2500 Гц

для частоты 8000 Гц

Здесь I_и0 - ток в индукторе на 1 см ширины паза; р₀ - удельная мощность, передаваемая в деталь, кВт/см²; U₁₀ - напряжение на 1 см длины индуктирующего провода.

К. п. д. индукторов с магнитопроводом в среднем 80%.

Пример. Найти параметры индуктора для закалки внутренней поверхности гильзы. Ширина провода 1,2 см, ширина паза 1,4 см, R₁ = 7,2 см, δ = 0,4 см. Мощность генератора 200 кВт, частота 8000 Гц (условия закалки такие же, как в предыдущем примере).

Напряжение на индукторе U₁ = 2πR₁U₁₀ = 2π·7,2·1,7 = 77 В.

Ток в индукторе: I_и = I_ио= 4550 А.

Ширина башмака магнитопровода

Для цилиндрических индукторов без магнитопровода напряжение и величину тока можно найти из графиков рис. 31-33 и рис. 34:

Здесь Р_и - мощность, подводимая к индуктору, кВт; Р_и0 - мощность, для которой приведены графики (Р_и0 = 100 или 60 кВт); U'₁, I'₁ - значения из графика рис. 31-34, где зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром принят равным 0,3 см; цифры на кривых указывают ширину индуктирующего провода в сантиметрах.

Рис. 31. Зависимость напряжения на индуктирующем проводе U'₁ и тока в индуктора I'₁ при частоте 2500 Гц и мощности Р_ио = 100 кВт от диаметра одновиткового индуктора

Рис. 32. Зависимость напряжения на индуктирующем проводе U'₁ и тока в индукторе I'₁ при частоте 8000 Гц и мощности Р_ио = 100 кВт от диаметра одновиткового индуктора; 1-10 - ширина активного провода, см

Рис. 33. Зависимость напряжений на индуктирующем проводе U'₁ и тока в индукторе I'₁ при частоте 70 кГц и мощности Р_ио = 100 кВт от диаметра одновиткового индуктора

Рис. 34. Зависимость напряжения на индуктирующем проводе U'₁ и тока в индукторе I'₁ при частоте 440 кГц и мощности Р_ио - 60 кВт, подводимой к индуктору, от диаметра одновиткового индуктора

Для того чтобы определить напряжение на индукторе, следует учесть падение напряжения на токоподводящих шинах. Обычно оно равно ΔU = (0,15ч0,25) U_la, где U_la - напряжение на активном проводе одно-, двухвиткового индуктора.

Индукторы для закалки на радиочастоте имеют более легкие конструкции, поскольку ток индуктора меньше, чем при звуковых частотах.

Индуктирующий провод можно изготовлять из трубки с толщиной стенки в 1 и даже 0,5 мм. Легкость конструкции и простота изготовления индукторов составляют весьма важное преимущество применения ламповых генераторов при мелкосерийном производстве.

5. Рекомендации по применению индукционной поверхностной закалки

Индукционная поверхностная закалка нашла самое широкое применение для упрочнения поверхности шеек коленчатых валов, гильз цилиндров, распределительных валиков, клапанов и других деталей двигателей внутреннего сгорания, шлицевых валов, валиков переключения коробки передач, шестерен (тепловозов, экскаваторов, металлообрабатывающих станков), прокатных валков, направляющих станин, рельсов и т. п.

Опыт внедрения этого метода поверхностной закалки позволяет рекомендовать его:

1. Во многих случаях вместо цементации. Стоимость термообработки при этом снижается примерно в пять раз. Сокращается общий цикл термообработки до секунд вместо часов. Легированные стали заменяются на простые углеродистые без ухудшения механических свойств. Коренным образом улучшаются условия труда. Процесс термообработки может быть автоматизирован и включен в поток или автоматические линии.

2. В тех случаях, где по условиям работы допускается местная закалка, этот метод позволяет вести процесс закалки с высоким термическим к. п. д. и исключает необходимость защиты мест, не подлежащих закалке.

3. Для упрочнения поверхности деталей, термообработка которых обычным способом невозможна или трудоемка (коленчатые валы, крупные валы, шестерни и т. п.).

4. В автоматических линиях, требующих четкого согласования работы устройств для термообработки деталей со станками механической обработки. Особенно важной является возможность значительного сокращения габаритов закалочных устройств.

Источник: "Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок" Шамов А. Н., Бодажков В. А.

Расчет основных параметров системы индуктор-деталь индукционной установки

2022-09-12 00:00:00

1. Расчет параметров системы индуктор-деталь

Основной задачей расчета электромагнитной системы для индукционного нагрева является определение входных параметров нагруженного индуктора: активного и реактивного сопротивлений, к. п. д., коэффициента мощности, тока, напряжения и числа витков по заданным геометрическим размерам (рис. 12), частоте тока, мощности и электрическим свойствам материала индуктора и детали. Поскольку индуктор и деталь образуют систему с распределенными параметрами, понятия сопротивлений не являются однозначно определенными, а обязательно относятся к схеме замещения, представляющей собой электрическую цепь, которой заменяется нагруженный индуктор. Каждое сопротивление характеризует активную или реактивную мощность в том или ином объеме реальной системы. В расчетах используется обычно два вида сопротивлений. Если разделить мощность в детали (Р_а или Р_р) на (Н₀l)², то получим сопротивления детали (r₂ и х_2м), приведенные (отнесенные) к намагничивающему току на ее поверхности (I_н= Н₀l). Эти сопротивления иногда неточно называют собственными. Если вместо I_н взять ток индуктора I_и, то получим приведенные к индуктору (или вносимые) сопротивления r₂' и х_2м'. Для активного сопротивления детали

В результате расчета нужно найти вносимые сопротивления r₂' и х_2м'. Сопротивления r₂ и х_2м являются промежуточными и определяются по приведенным ранее формулам для Р_а и Р_р.

Рис. 12. Геометрические размеры системы индуктор-деталь

Величина С называется коэффициентом приведения параметров и характеризует длину системы. Коэффициент приведения всегда меньше единицы и лишь при большой длине системы (l₁ >> 2R₁и l₁ = l₂) стремится к ней.

Приведенные рассуждения справедливы лишь при условии, что магнитное поле на поверхности детали однородно (H₀= const). Это допущение принимается при всех приближенных расчетах. Лишь в последнее время появились расчеты по методу наведенных э. д. с., в которых неоднородность поля учитывается заранее. Эти расчеты дают точные результаты, однако они разработаны только для простых индукционных систем.

Во всех приближенных методах сначала определяются величины r и х_2м, которые затем пересчитываются в r₂' и х_2м', т. е. приводятся к току индуктора. Существующие методы отличаются только способами приведения сопротивлений детали. Из них наиболее распространены три метода - метод связанных контуров, поправочных коэффициентов и метод общего потока. При любом способе расчета предварительно определяются параметры пустого индуктора - r₁ и х₁.

Сопротивления пустого индуктора. Если специально не оговорено, то принимается, что индуктор изготовлен в виде однослойной катушки из медной трубки. Для индукторов следует использовать только электротехническую медь марок М0 или Ml, так как наличие нежелательных добавок, например фосфора, резко увеличивает ее удельное сопротивление. При рабочей температуре (20÷50) °С сопротивление меди Ml можно считать ρ = (1,8ч2) 10^-6 Ом см. Трубка индуктора обычно профилируется на прямоугольник. Принято считать, что в наружных индукторах основная часть тока протекает по стенке трубки, обращенной в сторону детали.

Тогда для индуктора длиной l₁ из w витков трубки с толщиной стенки т₁ (см) активное сопротивление равно

где Δ₁ -глубина проникновения тока в медь; П_э- эквивалентный периметр окна индуктора:

для цилиндрического индуктора с внутренним радиусом R₁ П_э = 2 πR₁, для прямоугольного индуктора с окном h₁ х b₁ П_э = 2 (h_t + b₁ + 2Δ).

Рис. 13. Значения k_r₁

Коэффициент увеличения сопротивления k_r1 учитывает толщину стенки трубки (рис. 13). Его минимальная величина, равная 0,92, соответствует Поскольку минимальному r₁ соответствуют минимальные потери тепла, толщину трубки следует брать в пределах τ₁ = (1,25÷2,8) Δ₁ (табл. 11).

Таблица 11. Оптимальная и предельная толщина трубки индуктора

Для индукторов промышленной частоты изготовляются специальные неравностенные трубки (табл. 12).

Таблица 12. Сложные профили токопроводов для индукторов промышленной частоты тока

Иногда для этой цели используют равностенные трубки толщиной τ₁ = (З÷4) мм. Поскольку на частоте 50 Гц Δ₁ = 10 мм и поверхностный эффект в проводе выражен слабо, для однослойных обмоток r₁ (Ом) можно определять, как на постоянном токе:

где S₀-площадь поперечного сечения меди проводника.

В формуле для r₁ на повышенной частоте обычно в знаменатель вводится величина g - коэффициент заполнения индуктора медью по длине. Изучение распределения плотности тока и потерь в проводниках в зависимости от формы трубки и зазора между витками показало, что r₁ на повышенных частотах слабо зависит от g в обычно используемом диапазоне (0,6 ≤ g ≤ 0,9). Поэтому коэффициент g из формулы исключен. Форма проводника (прямоугольная или круглая трубка) также не дает существенных различий в r₁, однако прямоугольное сечение обеспечивает большую площадь окна для охлаждающей воды при том же коэффициенте g.

Расчетные формулы для цилиндрического индуктора:

Аналогично для индуктора прямоугольного сечения высотой окна h₁, шириной b₁ и длиной l₁

Реактивное сопротивление индуктора определяется по известной формуле:

где ω = 2πf - круговая частота; S₁- площадь окна индуктора, ограниченная эквивалентным периметром, см²; k_x1 - поправочный коэффициент самоиндукции, зависящий от длины индуктора (рис. 14).

Рис. 14. Значения k_x₁: - для цилиндров; - - для индукторов прямоугольного сечения

Расчетная формула для цилиндрического индуктора:

Здесь принято

Для индуктора прямоугольного сечения

Рассмотрим основные методы расчета вносимых сопротивлений детали.

Метод связанных контуров. Метод основан на аналогии индуктора и детали с двумя связанными катушками. Вторичная катушка, заменяющая деталь и имеющая один виток с радиусом R₂ и длиной l₂, замкнута на сопротивление r₂, определенное для отрезка длинного индуктора. Конечная длина индуктора и детали учитывается поправочными коэффициентами. Полное сопротивление индуктора

здесь k_r2 и k_х2 - поправочные коэффициенты активного и реактивного сопротивлений детали (рис. 15, 16); х_2м- индуктивное сопротивление потоку внутри детали;

где S₂- площадь сечения детали по внешнему периметру.

Рис. 15. Значения k_r2

Рис. 16. Значения k_x₂

Для цилиндрических деталей

Коэффициенты k_r2 и k_x2 зависят только от геометрических размеров индуктора и детали:

и применимы лишь при l₂ ≈ l₁. При нагреве прямоугольных тел вместо R₁ и R₂ следует брать 2h₁ и 2h₂. Метод не является универсальным, так как k_r2 и k_x2 не зависят от частоты тока и свойств нагреваемой детали. Однако он является самым простым и может применяться для индукторов большой длины (l₁ > 5R₁).

Метод расчета по общему потоку. Метод основан на составлении и расчете магнитной схемы замещения нагруженного индуктора. Допускается, что все его витки охвачены одним общим потоком. Участок прохождения магнитного потока по детали и по зазору вдоль ее поверхности является полезным и рабочим, а участок внутри индуктора, но вне детали (при l₁ > l₂) и снаружи индуктора - участком замыкания потока. Сопротивления, обусловленные наличием зазора (x_s) и детали (r₂ и х_2м), рассчитываются как для отрезка длиной l₂ бесконечной системы (еслиl₂ > l₁, то условно считаем l₂ =- l₁). Расчет прост и универсален. Ошибка расчета обычно не превышает 8% по х_н и 10-15% по r_н.

Полное сопротивление индуктора равно

где х₀ - сопротивление обратного замыкания; С - коэффициент приведения параметров;

Формулы для расчета r₂, х_2м, х₀ и x_s сведены в табл. 13.

Таблица 13. Формулы для определения активных и реактивных сопротивлений нагреваемых тел различной формы

Порядок электрического расчета индуктора следующий.

1. По электрическим свойствам определяем глубины проникновения:

Если ρ₂ > 18∙10 ⁶, то полученное Δ_е нужно увеличить в раз.

2. Находим расчетные геометрические размеры индуктора и детали в каждом режиме в соответствии с табл. 13. В горячем режиме расчетные размеры детали равны истинным.

3. По формулам табл. 13 рассчитываем сопротивления r₂, х_2м и x_s и вычисляем коэффициент С.

4. Находим активное сопротивление пустого индуктора r₁.

5. Сопротивления нагруженного индуктора:

6. Электрический к. п. д.

7. Коэффициент мощности

8. Активная и реактивная мощности индуктора:

9. Ток индуктора

10. Число витков. Если число витков заранее неизвестно, в расчете полагаем w - 1 и затем число витков находим по формуле

где Р_а.н - мощность в кВт; z_н' и r_н' - сопротивления при w = 1.

11. Пересчет индуктора. Индуктор будет потреблять мощность Р'_{а. и} вместо Р_{а. и} при том же напряжении, если изменить число витков

Индуктор с числом витков w' вместо w будет потреблять ту же мощность, если на нем изменить напряжение

2. Выбор частоты и размеров индуктора

Выбор частоты является одним из наиболее ответственных моментов при проектировании индукционных установок. Он определяется требованием высокого электрического к. п. д. как индуктора, так и всей установки, необходимостью получения заданного распределения температуры по сечению детали, наличием и техническими данными оборудования (преобразователей требуемой мощности, конденсаторов, контакторов). Окончательно частота выбирается по результатам технико-экономического анализа.

Однако основные требования к частоте определяются системой индуктор-деталь. При поверхностной закалке для получения высокого термического к. п. д. и хорошего качества термообработки необходимо обеспечить так называемый глубинный тип нагрева, при котором горячая глубина проникновения тока Δ₂ в один-три раза превышает толщину нагреваемого под закалку слоя. Отсюда рекомендуемый диапазон частот равен

где х_к - глубина закаленного слоя в см.

При сквозном нагреве противоположные требования предъявляют условия равномерного нагрева по всему сечению и высокого электрического к. п. д. При понижении частоты равномерность нагрева повышается, т. е. время нагрева может быть сокращено. Однако, начиная с некоторой частоты, распределение мощности становится постоянным, при этом время нагрева является минимально возможным. Для сплошных тел (круглого и прямоугольного сечений) при переходе от низкой частоты к высокой, при которой вся мощность выделяется в тонком поверхностном слое, время нагрева увеличивается примерно в 1,8-2 раза при той же равномерности нагрева.

Зависимость электрического к. п. д. от частоты довольно сложна и определяется характером детали и ее состоянием. Для сплошных деталей (круглых и прямоугольных) к. п. д. обычно растет с повышением частоты, стремясь к предельному значению. Для полых цилиндров и широких пластин существует оптимальная частота, при которой к. п. д. максимален. При нагреве ферромагнитных тел к. п. д. зависит от частоты косвенно, через μ_е. Одна и та же удельная мощность будет передаваться на более высокой частоте при меньших напряженностях Н₀. Это приведет к росту μ_е, и, следовательно, повышению r₂ и η_и.

Используя полученные ранее формулы для η_и, можно написать выражение

где ϒ - один из коэффициентов (φ, Ф, М, G), относящийся к данному режиму и виду детали.

В приведенной формуле от частоты зависят k_r₁, μ₂ (при постоянстве р₀), С и ϒ. Поскольку k_r₁ всегда может быть взято близким к оптимуму, а С мало зависит от f, частотная зависимость η_и определяется в основном коэффициентом ϒ. Наибольшему значению ϒ соответствует максимум η_и: При повышении частоты ϒ стремится к единице и к. п. д. достигает своего предельного значения

здесь μ₂ равна единице.

Предельный к. п. д. зависит только от геометрических размеров системы и удельного сопротивления р₂.

Рис. 17. К. п. д. индуктора при нагреве сплошного цилиндра

Сплошной цилиндр радиусом R₂. При μ₂ = 1 и ϒ = Ф частотная зависимость η_и определяется видом функции Ф = f (f) (см. табл. 10). Качественный характер кривой η_и = f (т) приведен на рис. 17. Из рисунка следует, что к. п. д. приближается к предельному уже при или R₂ > 4Δ₂, при т < 2,5 резко падает. Оптимальным можно считать диапазон 2,5 ≤ т ≤ 5, в котором к. п. д. остается близким к предельному при удовлетворительной равномерности нагрева. Отсюда частота для нагрева стальных деталей (ρ = 10^-4 Ом∙см) равна

При отсутствии подходящего оборудования в этом диапазоне частоту следует брать выше, одновременно увеличивая время нагрева.

Рис. 18. Вспомогательная величина С₁

Рис. 19. Кпд системы индуктор-деталь в зависимости от С₂=С₁√ρμ

К. п. д. индуктора, длина которого больше диаметра, можно вычислить достаточно точно, пользуясь графиками рис. 18 и 19. Для этого следует проделать следующее:

найти отношение диаметра проводника к внутреннему диаметру индуктора d₂/d₁;

определить отношение внутреннего диаметра индуктора к его длине d₂/l₁;

вычислить квадратный корень из произведения электрического сопротивления проводника на его относительную магнитную проницаемость (√ρ₂μ₂);

найти отношение диаметра проводника к глубине проникновения тока (d₂/Δ₂);

по кривым графика рис. 18 найти вспомогательную величину С₁; вычислить вспомогательную величину С₂ = С₁ √ρ₂μ₂;

по графику на рис. 19 найти к. п. д. индуктора.

При уменьшении длины индуктора к. п. д. снижается из-за уменьшения коэффициента приведения С.

Из графика следует, что увеличение зазора приводит к заметному снижению к. п. д., особенно при низкой частоте (m < 2,5). Кроме того, сильно падает коэффициент мощности индуктора и увеличивается конденсаторная батарея.

Явление резкого падения к. п. д. индуктора при т < 2,5 может быть использовано на практике для выравнивания температуры неравномерно нагретой по длине заготовки из ферромагнитных материалов с последующим догревом на более высокой частоте или в случае, когда требуется нагрев только до температуры точки Кюри без опасения перегрева. Для этого частоту подбирают так, чтобы в горячем режиме глубина проникновения не превышала радиус детали. В холодном режиме μ_е велико и нагрев происходит интенсивно. С потерей магнитных свойств т снижается (т < 1,4) и нагрев практически прекращается. Этот способ стабилизации температуры требует осторожности, так как при переходе в горячий режим ток индуктора может сильно возрасти из-за падения z_и, и мощность, потребляемая индуктором, снизится мало при резком увеличении потерь в индуктирующем проводе.

На рис. 20 показан максимально возможный к. п. д. при нагреве немагнитных материалов с разными значениями электросопротивления. Предполагается, что d₂/Δ₂ = ∞.

Рис. 20. Максимальный к.п.д. индуктора при нагреве материалов с различными значениями ρ. Для стали при μ =1

Заготовки прямоугольного сечения. Так как ϒ = G, то зависимость к. п. д. от частоты можно проследить по рис. 8. Для широких пластин (b₂/h₂ → ∞) максимум к. п. д. соответствует h₂ = πΔ₂, т. е. частоте f = 8,1∙10⁶ ρ₂h₂². Нагрев квадратных заготовок аналогичен нагреву цилиндра с той же площадью сечения. К. п. д. индукторов для нагрева прямоугольных тел обычно выше, чем цилиндрических, не только за счет различия коэффициентов G и Ф, но и из-за лучшего соотношения периметров деталей и индукторов.

Полый цилиндр с наружным радиусом R₂ и толщиной стенки т₂. К. п. д. длинного индуктора определяется формулой

Для полых цилиндров, в отличие от сплошных, имеется оптимальная частота, при которой к. п. д. максимален. Этот максимум заметно выражен лишь при малых толщинах стенки (т₂ ≤ 0,2R₂):

Максимум к. п. д. является пологим, и возможны значительные отклонения от оптимальной частоты без заметного падения к. п. д., и можно рекомендовать следующие пределы:

Уменьшение частоты приводит к резкому падению к. п. д. С увеличением частоты выше указанного диапазона к. п. д. падает до минимума при т₂ = π/2 Δ₂ и затем немного снова поднимается, стремясь к предельному значению для сплошного цилиндра.

Для коротких индукторов (l₁< 4R₁) при нагреве деталей всех видов желательно увеличение частоты по сравнению с рекомендованной. Это увеличение может достигать полуторакратной величины.

Например, при нагреве полых цилиндров в коротких индукторах (l₁ < 2R₁) частоту следует брать в диапазоне

Источник: "Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок" Шамов А. Н., Бодажков В. А.

Индукционный нагрев заготовок в кузнечных цехах - режимы, время, способы нагрева, индукторы

2021-08-18 00:00:00

1. Режимы нагрева

При нагреве под ковку всегда необходим быстрый, но равномерный нагрев заготовок по всему сечению. Поскольку при индукционном нагреве теплота в заготовке выделяется в поверхностном слое, а остальная ее часть нагревается за счет теплопроводности, то равномерное распределение температуры по сечению можно достигнуть для данной частоты тока только при определенной продолжительности нагрева.

Рис. 49. Зависимость температуры от времени нагрева заготовок:
А - при ускоренном нагреве; Б - при обычном нагреве

На рис. 49 показано возрастание температуры заготовок на поверхности Т₀ и в центре Т_ц в зависимости от продолжительности нагрева.

Кривые Б характерны для так называемого обычного нагрева. При этом режиме нагрева температура поверхности возрастает медленно, достигая заданного значения в конце его. Вначале температура в центре заготовки значительно ниже, чем на поверхности, и только к концу нагрева она выравнивается.

Между температурами на поверхности заготовки и в центре ее к концу нагрева существует перепад ΔТ. Общая продолжительность нагрева в значительной степени зависит от этого перепада, который обычно задается. После окончания нагрева перепад уменьшается, температура по сечению выравнивается. Выравнивание происходит очень быстро, и, как правило, это происходит в течение времени, которое затрачивается на транспортировку нагретой заготовки от нагревателя до ковочного агрегата.

Кривые А характерны для ускоренного нагрева. При этом режиме нагрева температура поверхности быстро достигает конечного значения и в дальнейшем поддерживается на этом уровне. В начале нагрева температура в центре заготовки значительно ниже температуры ее поверхности. Создается большой перепад, за счет которого теплота от поверхности быстро проникает к центру. Общая продолжительность нагрева при этом сокращается примерно в 2,5-3 раза.

На практике применяют оба режима нагрева, однако предпочтение отдают обычному нагреву. Обычный режим нагрева (кривые Б) происходит при удельной мощности, близкой к постоянной, в индукторах, витки которых равномерно распределены по всей длине. Конструкция индуктора проста. Один и тот же индуктор можно использовать для нагрева заготовок, близких по диаметру, но самых разнообразных по длине. Это и составляет главное преимущество обычного режима нагрева.

Для ускоренного нагрева обязательна непостоянная удельная мощность, передаваемая в заготовку в течение цикла нагрева. Для мерных заготовок режим ускоренного нагрева осуществляется в индукторах с неравномерной плотностью витков по длине (количество витков на единицу длины).

В начале нагрева заготовка должна попасть в первую зону индуктора с большой плотностью витков, чтобы мощность, передаваемая заготовке, была достаточна для быстрого нагрева ее поверхности до конечной температуры.

Во второй зоне удельная мощность, а следовательно, и плотность витков индуктора резко снижаются до уровня, достаточного для поддержания температуры на поверхности, которая снижается из-за утечки теплоты внутрь заготовки. В отдельных случаях для осуществления описываемого режима достаточно разделить индуктор на две зоны, но в большинстве случаев необходимо иметь три зоны. При этом конструкция индуктора становится сложнее и в нем нельзя нагревать заготовки разной длины.

Главное преимущество режима ускоренного нагрева состоит в том, что при одной и той же производительности длина индуктора значительно сокращается и можно обойтись одним нагревателем вместо двух при обычном режиме. Иногда это является важным или решающим фактором при выборе режима нагрева. Возможно осуществление и любого другого промежуточного режима нагрева: от обычного до оптимального ускоренного. В практике, как правило, имеет место именно промежуточный режим, что, в частности, затрудняет расчет времени нагрева и параметров индукторов.

Рис. 50. Время нагрева заготовок при частоте:
1 - 500 Гц; 2 - 1000 Гц; 3 - 2500 Гц; 4 - 4000 Гц; 5 - 10 000 Гц

На рис. 50 приведен график продолжительности нагрева заготовок разных диаметров (температура поверхности 1250 С, перепад ΔТ = 100 С, режим нагрева-обычный).

Для квадратных заготовок со стороной h₂ принимают эквивалентный диаметр d_э2 ≈ 1,14h₂.

2. Время нагрева

До настоящего времени нет точных формул для расчета времени нагрева. Это объясняется сложностью учета тепловых потерь с поверхности нагреваемой заготовки, изменений физических свойств материала и удельной мощности в процессе нагрева.

При нагреве сплошного цилиндра с постоянной средней удельной мощностью время нагрева в секундах

Здесь R₂ - радиус заготовки, см:

k_н = т_ф/a₂

где т_ф - критерий Фурье.

Формула справедлива при Δ_г ≤ 0,4R₂. Если это условие не выполняется, следует принять при расчете t_H Δ_г = 0,4R₂.

Рис. 51. Зависимость критерия Фурье от перепада температур по сечению заготовки

На рис. 51 показан график зависимости т_ф от относительного температурного перепада ΔТ/Т₀.

Пример. Найти время нагрева заготовки из углеродистой стали диаметром 100 мм при частоте тока 1000 Гц. Температура поверхности Т₀ = 1250° С; перепад в конце нагрева ΔТ = 100° С; а = 0,083 см²/с; Δ_г = 18 мм.

Определяем

Тогда

Время нагрева при скоростном режиме может быть подсчитано по формуле

Здесь также Δ_г ≤ 0,4R₂.

Значения k_н и k_yc приведены в табл. 23 для некоторых значений температурных перепадов при температуре поверхности 1250° С (сталь углеродистая).

Таблица 23. Значения коэффициентов К_н и К_ус

К сожалению, достаточно проверенных практикой расчетных формул для определения времени нагрева заготовок прямоугольного сечения нет. В нашей литературе теория теплопередачи при индукционном нагреве наиболее полно изложена в книге проф. А. Е. Слухоцкого. Для заготовок бесконечной ширины дается выражение

где h₂ - толщина заготовки, см; а = 2Δ₂/h₂; S (а, 0) и S (а, 1) - на рис. 52.

Однако результаты расчетов по этому уравнению для заготовок конечных размеров получаются завышенными. Так, для

квадратного сечения расчетное время нагрева в два раза больше, чем это требуется практически. В выводе уравнения принято, что поток энергии проходит только через поверхности b₂, так как при b₂→ ∞ боковые поверхности можно не учитывать. Когда размеры b₂ и h₂ соизмеримы, боковые поверхности оказывают значительное влияние. Было предложено ввести коэффициент, учитывающий изменение удельной объемной мощности от соотношения сторон заготовок. Кроме того, по примеру расчета для сплошных цилиндров целесообразно и здесь ввести понятие эквивалентной толщины: h_э2 = h₂- Δ₂ (вероятно, нужно ввести и понятие эквивалентной ширины b_э2 = b₂- Δ₂).

Тогда уравнение перепишется

(уравнение действительно для h₂ ≥ 1,5∆).

Для определения времени нагрева заготовок в виде полого цилиндра, когда т₂> 1,5∆ и R₂ ≥ т₂ можно использовать выражения, выведенные для нагрева тел конечной толщины с плоской поверхностью при постоянной удельной мощности

Здесь

Когда толщина стенки значительно больше, желательно ввести коэффициент, учитывающий изменение объемной удельной мощности при изменении толщины.

Тогда уравнение запишется

где R₂ - наружный радиус цилиндра;

Недостаточно изучен вопрос расчета температурного распределения в тонкостенных трубах, т. е. при т₂ ≤∆_г. Если т₂<< R2 ит₂< ∆_г, можно приблизительно считать, что в горячем режиме (выше точки Кюри) нагрев происходит равномерно по всему сечению. Если при этом мощность тепловых потерь велика (например, в нефутерованном индукторе), то теплоперепад может быть даже обратным, т. е. температура внутренних слоев будет больше, чем поверхности. Время нагрева и размеры индуктора для тонкостенных труб обычно следует выбирать не по теплоперепаду ∆Т, а из условий эффективной и надежной работы индуктора. Нужно отметить, что при т₂ < ∆_г может наблюдаться значительная неравномерность нагрева по периметру из-за разностенности труб. Эта неравномерность больше, чем при нагреве тех же труб в пламенных печах, так как в местах с меньшей т₂ при индукционном нагреве выделяется большая мощность, чем в соседних участках.

Как можно было заметить, нагрев в минимальное время требует понижения частоты тока, тогда как стремление к увеличению к. п. д. заставляет выбирать ее более высокой.

В табл. 24 приведены рекомендуемые частоты для нагрева стальных заготовок.

Таблица 24. Оптимальная частота тока для сквозного нагрева стальных заготовок

3. Время выравнивания температуры по сечению

Всегда с момента окончания нагрева заготовки до начала деформации затрачивается время на ее транспортировку от нагревателя до ковочного агрегата. За это время температура по сечению выравнивается. Выравнивание температуры позволяет получить несколько меньший- перепад температуры по сечению заготовки и, следовательно, ускорить темп ее выдачи из нагревателя.

Рис. 53. Кривые выравнивания температуры:
1 - кратность изменения температуры на поверхности; 2 - кратность изменения температуры в центре

На рис. 53 представлена кратность изменения перепада температуры k_t относительно начального в зависимости от т_ф:

где а- коэффициент температуропроводности, см²/с; t_B- время выравнивания, с; R₂- радиус заготовки, см. Пользуясь кривыми, можно определить или время, необходимое для уменьшения перепада, или конечный перепад, зная время, затрачиваемое на транспортировку.

Рис. 54. Время выравнивания температуры заготовок при различных перепадах в % от начального

Следует иметь в виду, что кривые выравнивания температуры (рис. 54) строго справедливы только при отсутствии тепловых потерь с поверхности. В реальных случаях, особенно при больших температурах нагрева (Т₀ > 1100° С), кривая температуры поверхности падает значительно быстрее и пересекается с кривой Т_ц. Теплоперепад при этом становится отрицательным. Подобная же картина наблюдается в индукционном термостате, когда при постоянстве Т₀, температура внутренних слоев может быть выше Т₀. Это превышение температуры тем значительнее, чем больше тепловые потери с поверхности.

4. Нагреватели для мерных заготовок

Рис. 55. Способы нагрева заготовок:
а - периодический; б - методический

В практике применяется много разных схем нагрева заготовок. Однако все они отнесены к нагреву методическому или периодическому. Соответственно и конструкции нагревателей разделяются на «методические» и «периодические» (рис. 55). В методических нагревателях мерные заготовки с постоянной скоростью или через интервалы (с равным темпом) перемещаются через индуктор. В индукторе одновременно находятся несколько заготовок, нагретых от 20° С на входе до 1250° С на выходе. Длина индуктора, число заготовок и скорость перемещения их рассматриваются таким образом, чтобы заготовки на выходе достигали ковочной температуры и заданного перепада по сечению.

Желательно, чтобы в индукторе находилось не менее трех заготовок, так как электрический режим работы нагревателя в момент загрузки холодной заготовки и выгрузки нагретой в этом случае практически остается без изменения.

В индукторе периодического действия нагревается только одна заготовка (или часть ее) в течение времени t_н, достаточного для прогрева ее до ковочной температуры и до заданной степени равномерности (перепада). Если по условиям производительности требуется темп выдачи t₀ меньше необходимого времени нагрева t_н, нужно иметь два или несколько нагревателей (индукторов), в которых одновременно нагревается несколько заготовок. Число их будет равно п = t_н/t₀. Загрузка заготовок в индукторы должна быть сдвинута по времени на t₀.

Кузнечные индукционные нагреватели методического действия. Нагреватели серии КИН-К с кулисным приводом толкателя предназначены для нагрева мерных заготовок по всей длине из стали, цветных металлов и их сплавов цилиндрического и квадратного сечения в широком диапазоне типоразмеров.

Рис. 56. Схематическое изображение индукционного- нагревателя КИН-К:
1 - индуктор; 2 - заготовки; 3 - толкатель

На рис. 56 показан принцип работы нагревателя серии ИНМ с толкателем. Перемещение заготовок в этом нагревателе осуществляется толкателем с кривошипным механизмом, который, в свою очередь, приводится от электродвигателя постоянного тока.

Толкатель непрерывно совершает возвратно-поступательное движение, заталкивает холодную заготовку, поступившую из загрузочного лотка на линию толкания, и перемещает одновременно все заготовки в индукторе, выбрасывая с другого его конца нагретую. Число ходов толкания в минуту, а следовательно и темп выдачи нагретых заготовок регулируется в пределах 3-20 с оборотами приводного двигателя серии ПМУ. При этом электродвигатель остается постоянно включенным. Темп толкания свыше 20 с регулируется реле времени. Привод толкателя в этом случае работает с остановками электродвигателя.

Загрузка заготовок на лоток ручная. Одновременно загружается 10-20 заготовок. Дальнейшее движение их с лотка до выдачи происходит автоматически. Конструкция не предусматривает механизированную загрузку вибробункерами, кассетами или другими средствами. На выходе из индуктора имеется разгрузочное устройство, состоящее из редуктора и вращающегося ролика. Нагретая заготовка при выталкивании попадает передним концом на ролик и быстро удаляется из индуктора. Индуктор легкосъемный и быстро может быть заменен на другой. Однако длина его для каждого типа нагревателя сохраняется постоянной. Технические характеристики приведены в табл. 25.

Таблица 25. Технические характеристики индукционных методических нагревателей серии КИН-К

Примечания: 1. Минимальная длина заготовок l,5d, но не менее 60 мм. 2. Габариты нагревателя в комплекте со шкафами. 3. Расшифровка обозначения КИН4-750/4К: мощность 750 кВт, частота 4 кГц, механизм толкателя кривошипный.

Индукционные нагреватели серии ИНМ-Ш (с шаговым механизмом) показаны на рис. 57. В табл. 26 даны их технические характеристики.

Рис. 57. Принцип работы нагревателя с шаговым перемещением заготовки ИНМ-Ш и КИН-Ш

Таблица 26. Технические характеристики индукционных методических нагревателей с шаговым механизмом

Примечания: 1. Габариты шкафа управления 1000х600х2200 мм, шкафа трансформаторного 900х600х2200 мм. 2. КИН-1501/1-Ш имеет два трансформаторных шкафа. 3. Давление воды 1,5-2 атм.

Заготовки, подлежащие нагреву, загружаются в бункер или кассеты, откуда они автоматически подаются на три направляющие, проходящие через индуктор. Средняя из них подвижная и конструктивно сделана так, что заготовки на ней легко удерживаются. Подвижная направляющая приводится в возвратно-поступательное движение электродвигателем посредством червячного, редуктора и кулачкового диска. При своем движении она поднимает заготовки с крайних направляющих и перемещает их небольшими шагами через индуктор. Скорость перемещения определяется числом ходов в минуту и длиной перемещения за один шаг. Изменяя число оборотов двигателя, можно менять темп выдачи нагретых заготовок. Такая система позволяет полностью освобождать индуктор от заготовок в конце нагрева и подавать их по одной на время настройки нагревателя или штампов. Кроме того, в этом случае направляющие практически не изнашиваются, а требования к торцам заготовок могут быть менее жесткими, рекомендуются для заготовок больших сечений и сравнительно небольшой длины.

Некоторым недостатком нагревателей является обязательное увеличение воздушного зазора между индуктором и заготовкой, а следовательно, повышенная мощность конденсаторной батареи. Во всем остальном они повторяют конструкцию нагревателя с толкателем.

Рис. 58. Компоновка нагревателя КИН-К:
1-трансформаторный шкаф; 2 - загрузочный лоток; 3- нагревательный блок с индуктором и механизмами толкателя; 4 - разгрузочное устройство; 5 - шкаф управления; 6 - конденсаторная батарея

Рис. 59. Компоновка нагревателя ИНМ-Ш:
1 - нагреватель индукционный; 2 - индуктор; 3 - батарея конденсаторов; 4 - шкаф трансформаторный; 5 - шкаф управления; 6 - бункер

На рис. 58 и 59 показана компоновка и комплектность поставки нагревателей.

Каждый нагреватель состоит:

а) из нагревательного блока 3 с механизмами толкания, лотком загрузки 2, разгрузочного устройства 4, заготовок, индуктора и системы водоохлаждения (рис. 58);

б) трансформаторного шкафа 4 с разъединителем, контактором, измерительными трансформаторами тока и напряжения и автотрансформатором (рис. 59);

в) шкафа управления 5 с реле автоматики и измерительными приборами. Шкаф выполнен в двух модификациях: один для подключения к высокочастотным генераторам, собранным по схеме централизованного питания (без возбудителя) и второй-для индивидуального питания от машинного генератора. В последнем случае в шкафу дополнительно установлен тиристорный возбудитель ВТ-20;

г) конденсаторной батареи 3.

Размер А для КИН-250, КИН-500 и КИН-750 соответственно равен 2800, 3800 и 4800 мм.

Рис. 60. Электрическая схема нагревателей КИН-К и ИНМ-Ш:
И - индуктор: С - конденсаторы; К - контакторы; ТН - трансформатор напряжения; 1Р - разъединитель; ЛК - контактор; АТ - автотрансформатор; ТТ-трансформатор тока; РМ - максимальное реле защиты; 1РВ - переключатель

На рис. 60 приведена силовая электрическая схема. Разъединителем и контактором нагреватель может подключаться и отключаться или от питающего генератора, или от сборных шин высокочастотного распределительного устройства. Автотрансформатор позволяет ступенями (ручным переключением) изменять напряжение на индукторе, а следовательно, потребляемую им мощность и темп выдачи нагретых заготовок. На рис. 61 показан общий вид нагревателя ИНМ-Ш.

Рис. 61. Общий вид нагревателя ИНМ-Ш

На рис. 62 показан вид кузнечного цеха с индукционными нагревателями типа КИН.

Рис. 62. Вид кузнечного цеха с индукционными нагревателями

В таблицах технических характеристик нагревателей и паспорте указана производительность для определенного диаметра заготовок. Для других типоразмеров она иная и будет определяться длиной индуктора или мощностью конденсаторной батареи. Чтобы найти возможную производительность нагревателя, надо произвести следующий расчет.

Пример. Рассчитаем возможную производительность нагревателя КИН2-500/2.4К при нагреве заготовок d₂ = 50 мм, l₂= 100 мм, g₂ = 1,5 кг (масса заготовки), f = 2500 Гц, l₁= 2000 мм, Р_с = 7200 квар. Находим: t_H = 85 с (см.рис. 50). Число заготовок в индукторе≈30 (п = l₁/l₂). Темп выдачи нагретых заготовок t_н/n = 3 с. Возможная производительность по длине индуктора П = 1800 кг/ч.

Однако эту производительность можно не получить, если мала мощность конденсаторной батареи. Поэтому желательно сделать проверку. На рис. 63 приведены графики средних значений cos ф_и от диаметра заготовки при различных частотах. Поскольку зазоры и, следовательно, отношение R₁/R₂ в разных конструкциях различаются, реальные значения cos ф_и могут отклониться от приведенных. Из графика на рис. 63, а находим, что для диаметра заготовки 70 мм cos ф_и = 0,15. Максимальная мощность индуктора составит Р_и = Р_с cos ф_и. Р_и = 7200·0,15 = 1000 кВт.

Ориентировочный электрический к. п. д. индуктора (рис. 63, б) η_и.э = 0,70, тепловой (в среднем) η_t=0 ,85, общий η_и = 0,70·0,85 = 0,60. Теплосодержание-g₀ = 230 кВт·ч/т (см. рис 5).

При этой мощности производительность нагревателя по конденсаторной батарее для d₂ = 50 мм найдем из выражения

Тогда производительность равна

Производительность КИН2-500/2,4К для заготовки d₂ = 50 мм ограничивается длиной индуктора и может быть доведена только до 1800 кг/ч. При этом потребляемая мощность от генератора 900 кВт. На эту мощность должны быть рассчитаны параметры (витки) индуктора. Возможные производительности нагревателей в расчете на все длины индуктора приведены в табл. 27.

Таблица 27. Производительность П (кг/ч) и мощность Р_и (кВт) индуктора длиной 1 м при различных частотах тока и диаметрах нагреваемых заготовок

Примечания: 1. При длине индуктора, отличающейся от 1 м, приведенные значения умножаются на длину индуктора в метрах. 2. Расчет производительности и мощности выполнен для нагрева стали до температуры 1250° С с теплоперепадом 100° С.

5. Нагреватели периодические. Серия КИН-П

Предназначены для нагрева концов мерных заготовок или прутков. Все нагреватели одноручьевые. Имеют правое и левое исполнение, что позволяет два нагревателя монтировать вплотную друг к другу, образуя как бы один двухручьевой.

Прутки загружаются в индуктор вручную и после нагрева также вручную извлекаются. Нагрев включается кнопкой после загрузки прутка. Продолжительность нагрева регулируется реле времени.

На рис. 64 приведена электрическая силовая схема.

Рис. 64. Электрическая схема периодического нагревателя КИН-П:
1И - индуктор; 1С-6С - конденсаторы; 1К-2К - контакторы

В конденсаторной батарее установлены рубильники для ручного и пневматические контакторы для автоматического подключения конденсаторов. Контакторы в трансформаторном шкафу предназначены для автоматического изменения напряжения на индукторе в процессе нагрева.

В табл. 28 приведены технические характеристики периодических нагревателей. Производительность нагревателя не указана, так как она зависит от диаметра заготовки и длины нагреваемой части прутка.

Таблица 28. Техническая характеристика кузнечных индукционных периодических нагревателей

Примечания: 1. Давление воды 1,5-2 ати, расход воды 3 м³/ч, давление воздуха 6 ати, расход 5 м³/ч. 2. Габаритные размеры трансформаторного шкафа - 1300х900х2200 мм. пульта управления- 1000х600х2200 мм, нагревателя - 3420х750х1500 мм. 3. Длина заготовок - 100-500 мм. 4. Расшифровка обозначения КИНЗ-150/10: кузнечный индукционный нагреватель, мощность 150 кВт, частота 10 000 Гц.

Пример. Найдем производительность КИН1-150/8 при нагреве прутка d₂ = 40 мм, длина нагреваемой части прутка l₂ = 200 мм, масса 2 кг, t_H = 75 с (см. рис. 50). Отсюда производительность одного ручья составит 48 нагревов или 96 кг/ч.

Рис. 65. Периодический нагреватель КИН-П:
а - общий вид; б - габаритный чертеж:
1 - загрузочный стол; 2 - индуктор; 3 - заготовка; 4 - шкаф трансформаторный; 5 - шкаф управления

На рис. 65 приведен габаритный чертеж и компоновка нагревателя в целом.

6. Нагреватели специализированные

Рис. 66. Специализированный нагреватель: ИН1-751/С; ИН2-752/С

Нагреватели типа ИН1-751/С, ИН2-752/С для нагрева концов мерных (трубных) заготовок имеют четыре ручья (рис. 66). Заготовки укладываются на стеллажах, отсюда они автоматически цепным трансформатором распределяются по индукторам, загружая их поочередно через определенные заданные промежутки времени. При загрузке холодная заготовка выталкивает нагретую на разгрузочный транспортер. Комплект оборудования нагревателя такой же, как у ИНМ-1001-Ш. Технические характеристики нагревателей ИН1-751/С, ИН2-752/С:

Частота тока, Гц...........................................................1000 и 2500

Размер нагреваемых заготовок, мм:

диаметр............................................................100-150

длина................................................................400-600

длина нагреваемого конца.............................150-200

Количество индукторов................................................4

Длина индуктора, мм....................................................300 и 400

Батарея конденсаторов, шт.........................................30

Батарея конденсаторов, квар.....................................4350 и 6600

Габариты нагревателя, мм..........................................6000х5000х3000

Рис. 67. Щелевой индуктор: а - проходной; б - открытый с одной стороны

Нагреватели со щелевыми индукторами (рис. 67). Нагрев осуществляется в продольном магнитном поле при непрерывном перемещении заготовок через индуктор. К. п. д. индуктора в значительной степени зависит от потерь в перемычках, образующих щель на входе и выходе индуктора. Поэтому нагреватели рекомендуются для нагрева коротких концов заготовки, когда длина индуктирующего провода может быть больше длины перемычек.

Рис. 68. Овальный индуктор

Нагреватели с овальным индуктором (рис. 68). Заготовки нагреваются в продольном магнитном поле за время перемещения их от одного края индуктора до другого. Рекомендуются для нагрева заготовок небольшого диаметра и длины или только концов.

Рис. 69. Нагрев заготовок в индукторе с поперечным магнитным полем

Заготовки (рис. 69) нагреваются в индукторе с поперечным магнитным полем. Расчетное время нагрева в 1,2 для коротких и 1,5 раза для длинных заготовок больше, чем при нагреве в цилиндрических индукторах. Требуется согласование размеров индуктора с размерами заготовки во избежание перегрева торцов. К. п. д. овальных индукторов выше, чем цилиндрических, в основном из-за лучшего соотношения периметров окна индуктора и нагреваемых деталей.

7. Индукторы для сквозного нагрева

Выполняются в виде цилиндрического, овального, прямоугольного соленоида из медной трубки. Каждый виток изолируется стеклолентой, пропитывается кремнеорганическим лаком и заливается жаропрочным бетоном. Внутри индуктора на бетон укладываются две направляющие трубки из немагнитных марок стали (обычно Х18Н10Т), по которым в процессе нагрева перемещаются заготовки. Трубки из обычных сталей сильно нагреваются, поэтому не применяются. По трубкам соленоида и направляющим пропускается вода для охлаждения.

Рис. 70. Типовая секция индуктора:
а - нормальная; б - с расширением на выходе

В нагревателях КИН-К (рис. 70) каждый индуктор собирается из двух, четырех и шести секций длиной по 500 мм. Секции двух типов. Секция (рис. 70, б) имеет расширение на конце и устанавливается на выходе из индуктора, когда нагреваются короткие заготовки. В этом случае разгрузочное устройство не применяется. Заготовки скатываются из индуктора под действием силы тяжести.

Соединяя группы секций последовательно или параллельно, можно получить необходимую мощность. При сборке индуктора секции устанавливаются вплотную одна к другой (рис. 71). Направляющие укладываются после их сборки сразу на весь индуктор. Каждая секция охлаждается самостоятельно и имеет один подвод воды и один или два слива.

Рис. 71. Индуктор в сборе из двух секций

Индуктор является наиболее уязвимым элементом нагревателя. Срок службы в значительной мере определяется условиями эксплуатации. От обслуживающего персонала требуется:

следить за состоянием бетона; при наличии разрушений, трещины надо тщательно замазать бетоном, иначе под действием высокой температуры и окалины с заготовки электрическая изоляция быстро приходит в негодность и происходит электрический пробой - наиболее частая причина выхода индукторов из строя;

следить за охлаждением катушки и направляющих; в конце работы раскаленную заготовку нельзя оставлять в индукторе, а воду можно отключать только после того, как футеровка остынет;

беречь от механических ударов, чтобы не повредить бетон.

В заграничной практике дополнительно в индуктор вставляют керамические (на основе карборунда) цилиндры с толщиной стенки 5-10 мм. Слой бетона внутри в этом случае делается тоньше. Цилиндры предохраняют бетон и витки. Сами они при повреждениях легко заменяются.

В табл. 29 приведены данные индукторов к нагревателям КИН-К. Индукторы в таблице рассчитаны для максимального диаметра на напряжение около 600 В (на индукторе) и мощность в среднем из условий расхода энергии 300 кВт ч/т. Конструкция предусматривает нагрев заготовок меньших диаметров. При этом мощность, необходимая для получения указанной в таблице производительности, достигается за счет повышения напряжения до 800 В и увеличения числа подключаемых конденсаторов примерно в 1,2-1,5 раза. Например, в индукторе диаметром 116 мм, расчет которого выполнен на заготовку 60 мм, можно с той же производительностью осуществить нагрев заготовок диаметром 45 мм. Для этого нужно повысить напряжение до 800 В, чтобы сохранить мощность, потребляемую индуктором. Поскольку воздушный зазор индуктора при этом увеличится, потребуется добавить и число конденсаторов ¹.

¹ Расчет индукторов выполнен по заданию ВНИИТВЧ сотрудниками кафедры электротермических установок Ленинградского ордена Ленина Электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) под руководством канд. техн. наук Н. А. Павлова.

Источник: "Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок" Шамов А. Н., Бодажков В. А.

На литейном заводе ПАО «КАМАЗ» ввели в эксплуатацию автоматический закалочный комплекс Tesline.

2018-10-18 19:45:00

На литейном заводе ПАО «КАМАЗ» ввели в эксплуатацию автоматический закалочный комплекс Tesline.

«Полный процесс для одной детали, включая позиционирование, разметку, переворачивание (если речь идёт, например, о вале длиной более двух метров), закалку токами высокой частоты и охлаждение, мог занимать в среднем до получаса. Теперь же мы управляемся с этой операцией за несколько минут, весь процесс автоматизирован», – поделилась мастер цеха подготовки производства литейной оснастки Эльвира Акбердина.

После ввода в эксплуатацию нового оборудования закалка происходит не только быстрее, но и стала проще. Если раньше разметку областей для закалки проводили вручную, то теперь это делает автомат. На новом оборудовании закаливаются все вращающиеся элементы, которые должны обладать высокой прочностью: валы, оси, шестерёнки, втулки, зубчатые колёса и другие. При этом программу можно настроить так, чтобы закалку прошёл только слой металла определённой глубины, а сердцевина осталась без изменений структуры, более пластичной. Это необходимо, чтобы деталь не стала хрупкой.

Новый комплекс обладает целым рядом преимуществ, которые необходимы на производстве, где требуется постоянная термическая обработка металлов. Среди них: мощность установки индукционного нагрева в 100 кВт, система замкнутого водоохлаждения, вес закаливаемой детали до 750 кг. Закалка происходит в воде при давлении в 2-3 атмосферы. Скорости закалки – перемещения индуктора, а также вращения детали и область закалки, так называемые электронные цифровые маркеры, задаются оператором. Работать на комплексе Tesline будут пять специалистов литейного завода. В ближайшее время в Многофункциональном центре прикладных квалификаций машиностроения они пройдут обучение на термистов.

источник

Ламповые установки ТВЧ - колебательная мощность

2015-05-20 00:00:00

Колебательная мощность P_k высокочастотной установки с ламповым генератором определяется как разность между мощностью потребляемой от выпрямителя, P₀ и мощностью, теряемой на аноде генераторной лампы, P_a: P_k= P₀- P_a

Соответственно КПД установок, определяемый только по потерям на аноде генераторных ламп как отношение η = P_k/P₀

Типы и характеристики ламповых установок ТВЧ

Основные типы высокочастотных установок для индукционного нагрева при частоте тока 60-74 кГц

Характеристика	ВЧИ-63/0,066-ЗП-Л01	ВЧИ-63/0,066-ЗП-Л02	ЛЗ-2-67	ЛПЗ-2-67	ВЧИ3-100/0,066	ВЧИЗ-160/0,066
Номинальная колебательная мощность, кВт	63	63	63	63	100	160
Мощность, потребляемая от питающей сети, кВ*А	105	105	105	105	185	290
Масса установки, кг	2800	2500	-	-	-	-
Габаритные размеры, мм:
по фронту	4040	4260	2910	2910	4040	4620
в глубину	1900	2200	1320	1320	2200	2350
высота	2200	2300	2240	2240	2250	2500

Основные технические характеристики высокочастотных генераторов ВЧГ

Наименование	ВЧГ2-100	ВЧГ3-160	ВЧГ7-60
Напряжение питающей сети, В	380
Частота тока, Гц	50
Частота рабочая, МГц	0,066	0,066
Мощность, потребляемая от сети, кВт, не более	141	230	85
Мощность колебательная, кВт	100	160	60
Коэффициент мощности кВ, не менее	0,88	0,88	0,87
Мощность выходная, кВт, не менее			40
Расход охлаждающей воды, м. куб/ч	3,45	6,0	2,0
Габаритные размеры, мм	2550х2140х410	3200х1550х2100
Масса, кг	2360	3100	2000

Основные типы высокочастотных установок для индукционного нагрева при частоте тока 440±11 кГц (±2,5%)

Характеристика	ВЧИ-10/044-ПТ-Л01	ВЧИ-25/044-ЗП-Л01	ВЧИ-63/044-ЗП-Л01
Номинальная колебательная мощность, кВт	10	25	63
Мощность, потребляемая от питающей сети, кВ*А	19	45	103
Масса установки, кг	540	1800	2150
Габаритные размеры, мм:
по фронту	1150	3250	3250
в глубину	965	830	830
высота	1840	2200	2200

Основные характеристики установок для радиочастотной сварки

Характеристика	ВЧС2-160/0,44	ВЧС1-250/0,44	ВЧС1-400/0,44	ВЧС1-600/0,44
Установленная мощность трансформатора, кВ*А	320	560	1000	1000
Номинальная мощность, кВт	160	250	400	600
Частота тока, кГц	440±2,5%	440±2,5%	440±2,5%	440±2,5%
Напряжение сети (50 Гц), В	380	6000/10000	6000/10000	6000/10000
Номинальное анодное напряжение, кВ	11,0	11,0	11,0	11,0
Допустимый анодный ток, А	2×12	4×10	2×30	4×23
Количество и тип генераторных ламп	2 ГУ23А	4 ГУ23А	2 ГК5А	4 ГК5А

Индукционная лампа, как альтернатива светодиодной

2014-07-31 00:00:00

История вопроса

В настоящее время стала очень популярной тема светодиодных светильников. Однако многие приписываемые им достоинства на практике не оправдываются. Например, из-за деградации кристаллов резко падает освещенность уже в течение одного года работы и об указанной наработке в 60000 часов не может быть и речи.

Подробнее о недостатках светодиодных ламп можно прочитать здесь: "Реальные достоинства и недостатки светодиодных ламп, выявленные опытным путем" и в комментариях к статье "Как устроены светодиодные лампы".

Вопрос об окупаемости светодиодных светильников весьма спорен. Между тем, существуют источники света, которые в настоящий момент имеют лучшие технические характеристики, чем светодиоды и примерно в три раза дешевле их. Это серийно выпускаемые индукционные лампы.

Немного теории

Индукционные лампы - это модернизированная люминесцентная лампа. Главное отличие ее от других ламп - это отсутствие электродов накаливания, которые необходимы для зажигания обычных ламп. Свечение происходит благодаря электромагнитной индукции в газе, заполняющем лампу. Для получения светового излучения используется комбинация трех физических процессов - электромагнитной индукции, электрического разряда в газе, свечения люминофора при взаимодействии с газом.

В колбе образуется высокочастотное электромагнитное поле, которое ионизирует наполняющую смесь. Это приводит к генерации ультрафиолетового излучения и преобразованию его люминофором в свет. Отсутствие электродов дает возможность достичь фантастического срока службы до 100.000 часов (12 леи непрерывной работы), что в 10 раз превышает долговечность обычных люминесцентных ламп, ламп ДРЛ, ДРВ и натриевых ламп ДНаТ и в 2-3 раза светодиодных светильников.

Классификация индукционных ламп

По способу размещения индукционной катушки, эти лампы делятся на лампы с внешней индукцией, когда катушка расположена вокруг трубки, и с внутренней индукцией, когда катушка с магнитным сердечником находится внутри колбы. Кроме того, бывают лампы с отдельным балластом и лампы со встроенным балластом.

В любом случае, индукционная лампа представляет собой ВЧ трансформатор ( F=2.65 мГц или 190-250 кГц), где вторичная обмотка - это ВЧ разряд в колбе лампы, а первичная обмотка через электронный балласт подсоединена к сети 220/380В или сети постоянного тока.

Параметры индукционных ламп и их отличия от обычных люминесцентных

Индукционные лампы выпускаются на мощности 15, 20, 40, 80, 120, 150, 200, 300, 500 Вт. Есть еще более мощные лампы промышленного назначения. Существуют все обычные формы для любых светильников с патронами Е14, Е27, Е40 и специальные кольцевые лампы. Такие лампы могут работать в сетях как переменного, так и постоянного тока.

Существенным преимуществом индукционных ламп перед просто люминесцентными лампами является отсутствие электродов. Это делает баллон лампы однородным и равнонагруженным по температуре. При длительной работе не происходит растрескивание баллона вокруг электродов и материал электрода не осаждается на баллоне лампы.

Поэтому, даже после длительной работы индукционные лампы сохраняют уровень светового потока 80-90% от первоначального. Для сравнения, привычные нам лампы дневного света, теряют к «концу жизни» до 50-60% первоначальной яркости, т.е. имеют уровень светового потока 40% от первоначального. На их баллонах образуются черные непрозрачные круги вдоль баллона и вокруг электродов.

Основные преимущества индукционных ламп перед светодиодными:

Чрезвычайно длительный срок службы от 60000-150000 часов, что составляет до 18 лет непрерывной работы (60000 у светодиодных светильников);
Светоотдача более 80-160 лм/Вт, для сравнения у светодиодных светильников 90-120;
Высокий кпд 0.9 (0.9-0.95 у светодиодов);
Уменьшение светового потока к концу срока службы на 10-15% (у светодиодов, при меньшем сроке службы, на 20-30%);
Большой гарантийный срок - 5 лет, у светодиодов - 2 года;
Высокая фотооптическая эффективность 120-200Флм/Вт. У светодиодов 40-90;
Цена ниже в 3-5 раз по сравнению со светодиодным светильником той же мощности;
Высокий индекс цветопередачи Rа>80, т.е. комфортный, мягкий свет, приятный для глаз, что не скажешь про светодиоды;
Низкая температура нагрева лампы, всего 40-60 градусов по Цельсию и широкий диапазон рабочих температур от -40 до +60;
Возможность изменения яркости от 30 до 100% с помощью обычного диммера для ламп накаливания, со светодиодными светильниками это невозможно;
Высокий коэффициент мощности до 0.95;
Низкое содержание твердотельной ртути - в несколько раз по сравнению с обычными люминесцентными лампами.
Средний срок окупаемости таких ламп на предприятии, работающем в две смены около 1.5 лет, у светодиодных светильников 5 лет.
В отличии от светодиодных светильников, индукционная лампа дает мягкий и естественный свет, она гораздо лучше переносит броски напряжения, характерные для отечественных сетей.

Выводы

Итак, индукционные светильники, по сравнению со светодиодными, имеют ряд существенных преимуществ. Основные преимущества - это в 3-5 раз более низкая цена, в 2-3 раза большая наработка на отказ, больший гарантийный срок, большая светоотдача и более приятный и естественный свет. Поэтому, в настоящий момент, при выборе между светодиодными и индукционными светильниками (лампами) предпочтение следует отдавать последним.

Источник: http://www.electrik.info

Принцип действия и достоинства индукционного нагревательного оборудования

2014-07-18 00:00:00

Попытки создать нагревательное электрооборудование на основе принципа индукционного нагрева предпринимались неоднократно. Ведь, технология индукционного нагрева позволяет создать электронагреватель с высокими потребительскими характеристиками, такими как надежность, долговечность, безопасность и неприхотливость. Но только совсем недавно удалось создать конструкцию индукционного электронагревателя, которая имела одновременно высокие КПД и коэффициент мощности (cos Ф) при использовании тока частоты 50 Гц.

Эта задача была решена ООО "Альтернативная энергия". Разработанная конструкция нагревателя запатентована. Начато серийное производство индукционных электронагревателей, обеспечивающих КПД 98 % и cos Ф = 0,98 на промышленной частоте тока 50 Гц.

Устройство индукционного нагрева - это электромагнитное устройство для нагрева индукционными токами, которые возбуждаются в металле нагревательного элемента переменным магнитным полем. С электротехнической точки зрения, индукционный электронагреватель представляет собой трансформатор, состоящий из первичной обмотки и специальной вторичной обмотки в виде труб. Металл нагревательного элемента под воздействием магнитного поля, создаваемого катушками, нагревается и передает тепло теплоносителю, которым может быть в различных случаях вода, масло, антифриз, газы, сыпучие, несыпучие вещества и т.д.

Все установки индукционного нагрева обладают следующими ДОСТОИНСТВАМИ:

Долговечность: Срок службы индукционных нагревателей при использовании для отопления зданий составляет более 30 лет. Изоляция первичной обмотки соответствует классу нагревостойкости «F» с допустимой рабочей температурой по ГОСТу - 150 С. Отсутствуют движущиеся и высоконагруженные детали и устройства.

Электробезопасность: Все оборудование имеет 2-й класс электробезопасности.

Пожаробезопасность: Максимальная температура на поверхности нагревателя превышает температуру теплоносителя не более, чем на 10-30°С (для нагревателей, работающих в системах отопления и горячего водоснабжения).

Эффективность: Электронагреватели работают на промышленной частоте 50 Гц и обладают высоким коэффициентом мощности = 0,98 (практически вся потребляемая из сети энергия идет на создание тепла). Это одно из важнейших достижений создателей индукционного электронагревателя. Во многих случаях при переходе на индукционный электронагрев эксплуатационные затраты снижаются в 1,5-2 и более раз.

Универсальность: Применение индукционного нагрева позволяет, в большинстве случаев, использовать различные жидкие теплоносители (вода, масло, антифриз), причем без предварительной технологической подготовки.

Простота обслуживания: Индукционные электронагреватели не требуют профилактических работ в отопительный сезон и период межсезонья, не требуют высококвалифицированного персонала для монтажа и обслуживания, полностью автономны.

Полное автоматическое управление: Полное автоматическое управление позволяет поддерживать температуру теплоносителя в заданном диапазоне. Возможности использования тиристорной бесконтактной системы управления, удаленного управления с компьютера резко повышают надежность всей системы в сравнении с существующими аналогами.

Уникальность конструкции индукционного электронагревателя подтверждается патентом РФ. Универсальность индукционных технологий нагрева (на промышленной частоте тока) позволяет эффективно и выгодно их использовать в самых различных отраслях промышленности.

По материалам сайта: akoil-teplo.ru

Источник: http://www.e-pec.ru

Энергоэффективные технологии индукционного нагрева неэлектропроводных материалов

2014-07-16 00:00:00

Для производства пленки, листов, шлангов, труб и профильных погонажных изделий из полимерных материалов, применяются экструдеры. Для создания заданного температурного градиента по длине цилиндра экструдера используются различные устройства обогрева, в качестве которых могут выступать паровые нагреватели, пластинчатые или трубчатые нагреватели омического сопротивления.

Наиболее интенсивной, экономичной и энергоэффективной является система обогрева индукционными нагревателями. Индукционные нагреватели имеют большой срок службы, позволяют развивать высокую удельную мощность нагрева и избежать местных перегревов элементов экструдера.

В работе рассматривается экструзионная установка с индукционными нагревателями, распределенными по длине экструдера. Основной задачей индукционных нагревателей является создание требуемого температурного распределения по длине экструдера и по толщине полимера с условием ограничения на допустимую температуру, при постоянной скорости перемещения продукта. Эта задача решается с помощью системы оптимальной стабилизации теплового режима зон экструдера.

Проектирование установок для индукционного нагревателя подразумевает под собой решение, по крайней мере, двух основных задач: проектирование конструкции индукционной системы и расчет режима нагрева. Первоочередной является задача выбора конструкции индукционной системы. После выбора рациональной конструкции на втором этапе решается задача распределения мощности нагрева по длине многосекционной индукционной установки, обеспечивающей требуемый температурный режим. Целью этого этапа является нахождение такого распределения удельной мощности, которое обеспечивает требуемое теплосодержание на выходе из нагревателя с заданной точностью при минимальной длине нагревателя с минимальными затратами энергии.

В соответствии с разработанной методикой определены параметры и разработана конструкция многосекционного индукционного нагревателя с максимальными энергосберегающими показателями и минимальными массогабаритными показателями.

Источник: http://www.mehatronics.ru

Индукционные печи

2014-07-16 00:00:00

Одной из составляющих индукционного механизма является индукционная печь - устройство, которое используется с целью расплавки или нагрева. В индукционную печь входит прибор для получения переменного тока, система вакуума и устройство для перемены положения либо передвижения нагреваемых элементов. Индукционная тигельная печь, сокращенно - ИТП, известная также как индукционная печь без сердечника, - это не что иное, как плавильный тигель, размещенный во внутреннем пустом пространстве индуктора. Последний подсоединяется к источнику тока переменного напряжения. Тигель чаще всего имеет форму цилиндра, туда помещается шихта из металла, которая плавится благодаря поглощению электромагнитной энергии.

Индукционные плавильные печи обладают многими преимуществами. Среди них можно отметить испускание энергии непосредственно при загрузке при отсутствии промежуточных нагревательных элементов. В печи индукционного нагрева возможно создать нейтральную либо окислительно-восстановительную среду при регулируемом давлении. Смотря по тому, протекает ли плавка стали в индукционных печах в воздушном пространстве либо в защищенных условиях, бывают открытые, вакуумные индукционные печи и компрессорные.

Принцип работы индукционной печи таков, что в тигле происходит усиленное движение смеси по кругу, дающее скорое расплавление мелкого материала и ровную температуру во всем объеме, что обеспечивает создание однородных в химическом отношении сплавов, состоящих из множества компонентов. Особенности конструкции позволяют классифицировать индукционные печи на устройства тиглем из керамики, металла - проводящим либо водоохлаждаемым, также тиглем из графита. Высокие значения удельной мощности дают хорошую производительность выплавки стали, меди или чугуна в индукционной печи.

Из тигля можно слить металл полностью, а небольшой вес облицовки (футеровки) дает основания для уменьшения тепловой инерции из-за снижения количества тепла, которое аккумулируется в футеровке. Индукционные плавильные тигельные печи подходят для эксплуатации с паузами между плавками и позволяют быстро сменить одну марку сплава на другую. По организации процесса плавки во времени электрические печи индукционные бывают периодического, полу- и непрерывного действия.

Конструкция индукционной печи.
а - конструктивное оформление; 1 - индуктор, 2 - крепление витков индуктора, 3 - каркас, 4 - изоляция, 5 - подовая плита, 6 - тигель, 7 - цапфы, 8 - крышка б - футеровка тигля; 1 - подовая плита, 2 - тигель, 3 - воротник, 4 - сливной желоб, 5 - огнеупорная обмазка.

Устройство индукционной печи гарантирует удобство в обращении и обслуживании, простоту регулирования процесса выплавки, многочисленные варианты автоматизации процессов. К тому же, печь индукционная ИСТ загрязняет воздух минимальным количеством выбросов и гигиенична в процессе работы.

Что касается недостатков индукционных печей для плавки чугуна и меди, то здесь нужно указать относительно невысокую температуру шлаков, которые наводятся на зеркало расплава для его обработки. Дело в том,что в принцип индукционной печи заключается в том, что шлак греется от металла, и поэтому его температура ниже. Но в сравнении с другими устройствами для плавки достоинства индукционной плавильной печи ИСТ настолько значительны, что они применяются в разных сферах народного хозяйства, к примеру, существуют индукционные бытовые печи и индукционные печи для ювелиров.

Для нагревания и плавки металлов используют, также, муфельные печи, которые имеют ряд конструктивных особенностей.

Источник: http://www.abrazive.ru

Индукционная пайка сварка

2014-07-16 00:00:00

Технологии индукционной пайки возникли и развиваются одновременно с технологиями индукционного нагрева металлов.

Возможность быстрого локального разогрева, доступность визуального и приборного контроля над процессом, возможность полного или частичного исключения человека из процесса управления нагревом явились основными факторами распространения индукционной пайки в различных областях промышленности.

Выбор параметров (мощности и частоты) источника питания, применяемого при нагреве под пайку, в основном определяется конструкцией паяемого узла и материалами деталей, подлежащих нагреву. На выбор частоты источника питания может оказывать влияние также способность конструкции узла или технологической оснастки противодействовать электродинамическим усилиям, возникающим в процессе нагрева и способным вызвать недопустимое смещение нагреваемых деталей.

Применяемые при пайке частоты в основном лежат в области от 1кГц до 1,76МГц.

В этом диапазоне производится нагрев от крупных деталей, требующих глубинного прогрева до узлов радиоэлектронной промышленности.

Большое распространение в качестве источников питания для индукционной пайки получили ламповые генераторы, работающие на частотах 66 и 440 кГц. Ламповые генераторы надежно работают в условиях заводской эксплуатации. Имея блочную конструкцию, генераторы содержат все необходимые элементы для работы непосредственно с индуктором, что значительно упрощает процесс внедрения технологий индукционной пайки.

Однако тенденция к использованию энергосберегающих процессов делает недостатки ламповых генераторов в части эксплуатационных расходов и массогабаритных показателей весьма значительными, особенно в сравнении с имеющимися на рынке отечественными транзисторными источниками питания с частотой 66 и 440 кГц.

Применение малогабаритных транзисторных источников открывает возможность разработки также малогабаритных, энергосберегающих и достаточно простых в эксплуатации установок для пайки.

Используя транзисторные генераторы, выпускаемые фирмами «НПФ «Фреал и Кº» (серия-ВГТ...) и «ИНТЕРМ» (серия-ГТИ...), нами разработан и внедрен в производство ряд установок для индукционной пайки.

Источник: http://www.promvest.spb.ru

Магнитное поле управляет индукционным нагревом

2014-07-15 00:00:00

В настоящее время, пожалуй, трудно найти такое машиностроительное предприятие, на котором стальные заготовки и детали не нагревались бы для последующей обработки их давлением - ковкой, штамповкой, прокаткой, либо для проведения различных процессов термообработки, например, отжига или закалки.

На процессы нагрева расходуется немало энергии. Кроме того, от точности соблюдения их режимов сильно зависит качество готовых деталей и изделий.

Все это в полной мере относится и к подшипниковым заводам, где термическая обработка, в частности закалка (нагрев с последующим быстрым охлаждением), необходимая для придания металлу высокой твердости и износоустойчивости, - одно из важных звеньев технологии производства. На таком предприятии, например, как Первый государственный подшипниковый завод (1 ГПЗ), за сутки только через закалочные установки проходят миллионы колец, роликов и шариков - почти все детали подшипников.

Нагрев деталей, заготовок ведется главным образом в электрических печах сопротивления и в индукционных печах.

Электрические печи сопротивления занимают большие площади (длина их иногда достигает десятков метров), они имеют относительно невысокую производительность, у них большие потери энергии; нагрев в них длительный, что приводит к глубокому обезуглероживанию поверхности заготовок и образованию на них толстого слоя окалины. Чтобы избежать этого, приходится вести нагрев в защитной атмосфере.

Индукционный электрический нагрев деталей токами высокой частоты происходит значительно быстрее и поэтому лишен многих из упомянутых недостатков. Но если при нагреве в печи сопротивления температура деталей, достигнув температуры печи, дальше не повышается, то при индукционном нагреве она растет в течение всего времени, пока детали находятся внутри обтекаемого током индуктора.

Время пребывания в индукционной печи, например, роликов подшипников измеряется секундами, и поэтому даже самое незначительное отклонение в режиме приводит к их перегреву или недогреву. Это, конечно, осложняет использование индукционных печей и служит серьезным препятствием для широкого внедрения такого очень высокопроизводительного оборудования»

Как же обеспечить качественный индукционный нагрев без перегрева или недогрева? Сейчас иногда используется дозирование электрической энергии, расходуемой на нагрев деталей различной формы и массы. Но для этого надо индивидуально подбирать, а затем строго выдерживать определенные дозы энергии для всех возможных разновидностей деталей, что само по себе не очень удобно в производственных условиях при широком ассортименте выпускаемых изделий. К тому же любое отклонение в размерах нагреваемых деталей, изменение конструкции нагревателя или его тепловой изоляции существенно влияют на заданную температуру нагрева.

Прямому измерению температуры заготовок оптическими пирометрами мешают образующиеся на них окалина и копоть, а контроль температуры с помощью термопар, когда заготовки непрерывно друг за другом подаются в нагреватель с одной его стороны и выходят с другой, осуществить довольно сложно. Да и точность известных систем автоматического регулирования нагрева заготовок по их температуре с увеличением длины и производительности индукционного нагревателя сильно снижается.

Кроме того, надо считаться и с тем фактом, что при быстром нагреве температура, контролируемая только локально на поверхности, уже не определяет точно и однозначно действительного фазового и структурного состояния стали, от которых в конечном счете зависит качество последующей термообработки.

Вот почему так актуальны поиски способов эффективного контроля и регулирования процесса индукционного нагрева. Работы такие ведутся во многих странах. Заняты этой проблемой и наши ученые и инженеры.

В последнее время на 1 ГПЗ под руководством автора статьи удалось создать автоматизированную закалочную установку, которая признана оригинальным изобретением, защищенным девятью авторскими свидетельствами.

Источник: http://www.iron-lab.ru

Основы индукционного нагрева

2014-06-30 00:00:00

При прохождении по проводнику переменного тока около него создается переменное электромагнитное поле. В куске металла, помещенном в это поле, индуктируются токи, частота которых совпадает с частотой первичного тока. Прохождение индуктированного электрического тока вызывает нагрев металла. Нагрев металла описанным способом называется индукционным, а проводник, по которому пропускается электрический ток, - индуктирующим проводом. Индуктирующий провод может быть изготовлен из любого хорошо проводящего материала и ему может быть придана любая форма. Чаще всего он навивается из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрических спиралей. Внутри спирали устанавливается нагреваемая заготовка. Для уменьшения тепловых потерь между индуктирующим проводом и заготовкой помещается изоляция из шамота или других жароупорных, теплоизоляционных материалов. Для отвода тепла, выделяющегося при прохождении тока, по медной трубке, образующей индуктирующий провод, пропускается вода. Индуктирующий провод, жароупорная футеровка, шланги, через которые подается вода, изоляционные бруски для крепления индуктирующего провода, контактные пластины, припаянные к нему и служащие для подвода тока, объединяются в единое устройство, называемое индуктором (рис. 1).

Рис. 1. Индуктор для нагрева цилиндрических заготовок:
1 - индуктирующий провод - спираль из прямоугольной медной трубки; 2 - тепловая изоляция из шамотных втулок; 3 - нагреваемые заготовки; 4 - трубчатые охлаждаемые водой направляющие, поддерживающие заготовки; 5 - плита нз асбоцемента. К плите присоединены бруски 6; 6 - бруски, на которые опирается индуктирующий провод 1; 7 - шланги для подачи воды в индуктирующий провод 1 и направляющие 4; 8 - колодки на индукторе, с которыми соединены шланги 7; 9 - колодки, к которым с помощью шлангов подается вода из системы водоснабжения; 10 - накидные болты для соединения между собой колодок 8 и 9; 11 - контактная пластина.

Переменный ток как в индуктирующем проводе, так и в нагреваемом металле распределяется по сечению, неравномерно, плотность тока имеет наибольшее значение на поверхности проводника и спадает к его сердцевине по экспоненциальному закону. Для простоты решения задач индукционного нагрева металлов условно принято считать, что переменный электрический ток протекает лишь в некотором определенном поверхностном слое, а в сердцевине проводника тока нет вообще.

Толщина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной проникновения тока и определяется по следующей формуле:

(1)

где ω -2πƒ;

ƒ - частота тока, гц;

μ - магнитная проницаемость, гн/м;

ζ - удельная электропроводность материала, 1 /ом.

Все материалы и сплавы по магнитным свойствам можно разбить на две группы:

1) ферромагнитные металлы и сплавы, т. е. имеющие магнитную проницаемость значительно большую, чем магнитная проницаемость вакуума;

2) парамагнитные металлы и сплавы, имеющие магнитную проницаемость, близкую к магнитной проницаемости вакуума.

К первой группе относятся углеродистые стали, железо, никель и кобальт, во второй - жароупорные и нержавеющие стали, латунь, алюминий, мельхиор и др.

В процессе нагрева диамагнитных и парамагнитных металлов и сплавов изменяется лишь их удельная электропроводность, магнитная же проницаемость остается практически неизменной. Ввиду этого глубина проникновения тока при нагреве диамагнитных и парамагнитных металлов и сплавов увеличивается незначительно лишь вследствие уменьшения электропроводности материала.

В процессе нагрева ферромагнитных металлов и сплавов наряду с уменьшением удельной электропроводности уменьшается и их магнитная проницаемость.

При достижении нагреваемым металлом определенной температуры значение магнитной проницаемости падает до величины магнитной проницаемости вакуума, что ведет к резкому увеличению глубины проникновения тока. Эта температура называется температурой магнитных превращений или критической точкой. Поэтому различают глубину проникновения тока в сталь, нагретую ниже температуры магнитных превращений, и глубину проникновения в сталь, нагретую выше температуры магнитных превращений («горячая» глубина проникновения тока).

В расчетах индукционных нагревательных устройств необходимо использовать значения глубины проникновения тока в медь индуктора, температура которой при нагреве заготовок достигает 40-60° С, и глубины проникновения тока в сталь, нагретую до температуры 1000- 1200°С.

Эти значения соответственно равны:

(2)

(3)

Установка для индукционного нагрева кроме индуктора включает в себя также и другие элементы. Однако индуктор является основным, так как посредством индуктора происходит преобразование энергии электромагнитного поля в тепловую.

Если в индукторе находится одна заготовка, длина ее для обеспечения равномерного нагрева концов и середины должна быть несколько меньше длины индуктора. После подключения такого индуктора к источнику токов высокой частоты (ТВЧ), например машинному высокочастотному генератору, начинается процесс нагрева, режим которого непрерывно меняется вместе с изменением физических свойств заготовки. После достижения заготовкой требуемой температуры нагрев выключается. Заготовка выдается из индуктора для последующей обработки. Такой способ нагрева называется периодическим. Применяется также другой способ нагрева, когда в индукторе одновременно находится несколько заготовок. В индуктор через определенные интервалы времени подается очередная заготовка. При этом из него выталкивается заготовка, нагретая до заданной температуры. Если одновременно в индукторе находится достаточно большое число заготовок, режим работы такого индуктора при постоянстве напряжения на нем практически можно считать постоянным. Выключение нагрева в момент подачи в индуктор новой заготовки не производится. Этот способ нагрева называется методическим.

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.

Выбор частоты тока для сквозного индукционного нагрева

2014-06-30 00:00:00

Эффективность использования сквозного индукционного нагрева в большинстве случаев определяется главным образом его технологическими преимуществами Стоимость индукционного нагрева пока еще выше стой мости нагрева в электрических печах сопротивления пламенных. Однако все же во всех случаях практик где необходим нагрев металла, следует осуществлять индукционный нагрев с минимальным расходом электроэнергии. Для этого все непроизводительные потери электроэнергии необходимо свести к минимуму.

К не производительным потерям можно отнести:

потери при преобразовании посредством индуктора электрической энергии в тепловую;
потери на нагрев токоведущих элементов, передающих энергию от источника тока высокой частоты к индуктору;
потери, вызванные холостыми пробегами высокочастотных машинных генераторов. Эти потери могут иметь место в том случае, когда машинные генераторы используются в качестве источника ТВЧ.

Вопросы правильного использования высокочастотных генераторов и рационального конструирования токопроводов рассматриваются в выпуске № 10 настоящей серии. Поэтому здесь анализируются только источники потерь, связанные с энергетическими процессами, проходящими в индукторе. Как показано ниже, эффективность этих процессов определяется главным образом правильным выбором частоты тока и режима нагрева.

В настоящее время индукционным способом нагреваются тела различной формы: призматические, с круглым, прямоугольным и квадратным поперечным сечением (трубы, ленты, листы, кольца). Для тел каждой формы разработана специальная методика выбора частоты тока и режима нагрева.

Круглые цилиндрические заготовки. Индуктированный ток протекает в поверхностных слоях заготовки, повышение температуры сердцевины происходит за счет теплопроводности. Если к заготовке подведена достаточно большая мощность, температура на поверхности пределах горячей глубины проникновения тока очень быстро может быть доведена до заданной. Обычно стальные заготовки перед ковкой и прокаткой необходимо нагревать до 1200° С.

Во избежание окисления поверхности и ухудшения структуры металла в процессе нагрева не допускается значительного превышения заданной температуры. Поэтому после достижения поверхностным слоем заданной температуры, мощность, подводимая к заготовке, должна постепенно уменьшаться. Она определяется теперь только скоростью передачи тепла от поверхности к сердцевине и интенсивностью излучения с поверхности заготовки в окружающее пространство. При постоянстве температуры мощность излучения остается постоянной. По мере роста температуры сердцевины скорость передачи тепла от поверхности к сердцевине уменьшается.

В связи с последним явлением для полного выравнивания температуры сердцевины и поверхности требуется длительное время. Практически нагрев прекращают, когда перепад температуры между поверхностью и сердцевиной составляет 100-150° С. Время, необходимое для нагрева заготовки с заданным перепадом температуры, называется временем нагрева.

В процессе передачи заготовки для последующей обработки температура поверхности вследствие отдачи тепла в окружающую среду и сердцевину падает, а температура сердцевины растет. Таким образом происходит окончательное выравнивание температуры. Электрическая энергия, подводимая к индуктору, частично передается в нагреваемую заготовку, частично pacxoдуется на нагревание индуктирующего провода. Отношение энергии, передаваемой в заготовку, ко всей энергии, подводимой к индуктору, называется электрическим к. п. д. индуктора. Энергия, переданная в заготовку, частично расходуется на повышение ее температуры, частично излучением и конвекцией рассеивается в окружающем пространстве. Отношение энергии, израсходованной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, пepeданной в нее из индуктора, называется термическим к. п. д. индуктора. Отношение энергии, затраченной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, подведенной к индуктору, называется полным к. п. д. индуктора. Полный к. п. д. индуктора равен произведению электрического и термического к. п. д.

Электрический к. п. д. растет с увеличением частоты и достигает предельного значения, когда отношение диаметра нагреваемой заготовки к горячей глубине проникновения тока равно десяти.

Термический к. п. д. тем выше, чем меньше потери тепла вследствие рассеивания энергии с поверхности заготовки. Эти потери пропорциональны средней во времени температуре на поверхности, ее площади, а также времени нагрева.

Режим нагрева, при котором температура на поверхности в пределах горячей глубины проникновения тока быстро поднимается до заданной, а затем coxpaняется постоянной, называется нагревом при постоянной температуре.

При той же частоте тока можно мощность подобрать таким образом, чтобы температура поверхности и сердцевины, постепенно поднимаясь, одновременно достигала заданных значений. Ввиду того, что такой режим нагрева используется чаще, чем нагрев при постоянной температуре, его принято называть обычным нагревом.

Нагрев при постоянной температуре позволяет нагревать заготовку за минимальное время. Большой градиент температуры обеспечивает быструю передачу тепла от поверхности к сердцевине. Поэтому среди всех возможных режимов нагрева током данной частоты режим при постоянной температуре будет иметь самый высокий термический к. п. д. Однако уменьшая частоту, можно увеличить горячую глубину проникновения тока. При этом меньший объем металла будет нагреваться за счет теплопроводности. Время нагрева уменьшится, а следовательно, термический к. п. д. возрастет. Это показывает, что величина термического к. п. д. также зависит от отношения диаметра нагреваемой заготовки горячей глубине проникновения тока. Чем больше это отношение, тем термический к. п. д. меньше.

Таким образом, при увеличении отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения электрический к. п. д. возрастает, а термический к. п. д. падает. Это обстоятельство позволяет для каждого диаметра заготовки установить полосу частот тока, в пределах которой полный к. п. д., равный произведению электрического и термического коэффициентов полезного действия, имеет достаточно высокое значение.

Нагрев заготовок в этом случае будет осуществляться с потерями в, допустимых пределах.

При обычном индукционном нагреве к. п. д. будет достаточно высоким, если отношение диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока лежит в пределах от 3,5 до 5,0. В отдельных случаях, когда нежелательно вводить дополнительную частоту тока, диапазон нагреваемых диаметров может быть расширен.

Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых могут быть использованы стандартные частоты тока, указаны в табл. 1.

При индукционном нагреве с постоянной температурой на поверхности, вследствие наличия большего градиента температуры и меньшего времени нагрева можно допустить использование каждой из частот тока для нагрева заготовок большего диаметра.

Таблица 1.
Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых могут быть использованы стандартные частоты тока, при „обычном" нагреве

Частота тока, гц

500

1000

2500

8000

Радио-

частота

Диаметры заготовок, ммрекомендуемые

250 и более

95-135

65-95

40-60

25-35

и менее

допустимые

150 и более

70-160

50-120

30-80

15-40

и менее

Пределы целесообразного использования каждой и стандартных частот тока при нагреве с постоянной температурой на поверхности указаны в табл. 2.

Таблица 2.
Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых с постоянной температурой на поверхности могут быть использованы стандартные частоты тока

Частота тока, гц

500

1000

2500

8000

Радио-

частота

Диаметры заготовок, мм рекомендуемые

250 и более

95-200

65-150

40-100

25-60

и менее

допустимые

150 и более

70-250

50-180

30-120

15-70

и менее

Как видно из таблиц, каждую заготовку можно нагревать током двух и даже трех смежных частот. Это обстоятельство позволяет сводить к минимуму число различных частот в цеху. Необходимо отметить, что с понижением частоты упрощается передача тока на большие расстояния.

Стоимость высокочастотных генераторов уменьшается, а к. п. д. их растет. Уменьшаются потери в токопроводах. Поэтому всегда следует стремиться использовать самую низкую из частот, которая рекомендуется табл. 1 и 2.

Энергетическую эффективность индукционного нагрева можно повысить также -применением тока двух частот. Так как глубина проникновения тока 50 гц до температуры магнитных превращений (768°С) не превышает 10 мм, электрический к. п. д. нагрева заготовок диаметром более 50 мм протекает на частоте 50 гц до температуры 768° С при достаточно высоком электрическом, а следовательно, и полном к. п. д. Так как при преобразовании частоты 50 гц в более высокие частоты расходуется до 15% дополнительной энергии, нагрев заготовок в рассматриваемом диапазоне температур на частоте 50 гц более выгоден, чем на высоких частотах. Дальнейший нагрев до температуры 1100-1200° С, как это требуется для последующих пластических деформаций, может осуществляться током частотой, выбираемой в соответствии с табл. 1 и 2.

При использовании токов двух частот сокращаются 'капитальные затраты, что особенно важно при создании нагревательных устройств большой мощности. Однако по поводу вышеизложенных соображений необходимо сделать несколько замечаний.

При выборе частоты кроме энергетических (экономических) необходимо учитывать также и другие техникоэкономические соображения. Для удобства эксплуатации нежелательно в цехе иметь более двух различных частот, так как при этом потребуется большое разнообразие запасной аппаратуры и оборудования, усложнится обслуживание и наладка нагревателей. Поэтому частоту выбирают обычно по заготовкам, которые являются преобладающими по тоннажу. Для остальных заготовок приходится мириться с нагревом при меньших к. п. д.

При выборе частоты следует также учитывать, что в настоящее время машинные генераторы гораздо надежнее в эксплуатации, чем ламповые. Они проще в наладке и обслуживании. Передача токов звуковой частоты может легко осуществляться на расстоянии до 500 м.

Ламповые же генераторы должны устанавливаться в непосредственной близости от нагревательного устройства. Их не рекомендуется устанавливать в таких цехах, как кузнечные, где возможны сильные сотрясения почвы и повышенная запыленность воздуха.

Усложнение устройства, связанное с нагревом на двух частотах - 50 гц и повышенной, оправдывается при небольшой номенклатуре заготовок, проходящих сквозь нагреватель, так как цель будет достигнута только в том случае, если при переналадке нагрев на обеих частотах будет осуществляться в оптимальных режимах. Осуществление же оптимальных режимов для обеих частот при частых переналадках весьма затруднено.

Применение двух частот может оказаться рациональным иногда в связи с технологическими особенностями процесса.

Так, эксперименты, проведенные во ВНИИ ТВЧ, показывают, что двухчастотный нагрев целесообразно применять при нагреве концов штанг для ковки на горизонтальноковочных машинах в том случае, если у нагретого конца отковывается несколько заготовок, а затем оставшийся пруток подвергается новому нагреву и т. д., пока вся штанга не будет откована. Подробнее об этом сказано в п. II.

Квадратные и прямоугольные заготовки. При выборе частоты тока для нагрева квадратных и прямоугольных заготовок также можно пользоваться табл. 1 и 2. При нагреве заготовок прямоугольного сечения можно располагать их в индукторе двумя способами. Так, как показано на рис. 2, а, когда магнитный поток проходит вдоль заготовки и как на рис. 2,6, при расположении ширины заготовки перпендикулярно направлению магнитного потока индуктора. В первом случае расчетным размером, определяющим выбор частоты (в табл. 1 и 2 «диаметр заготовок»), является толщина полосы, а во втором ее ширина.

Рис. 2. Схемы нагрева прямоугольных, круглых и квадратных заготовок: а - в продольном, б - в поперечном магнитном поле.
Стрелками показано мгновенное направление тока в индуктирующем проводе и нагреваемых заготовках.

Как видно из таблиц, во втором случае возможно применение более низких частот. Квадратные и круглые заготовки также можно нагревать в поперечном магнитном поле, как это показано на рис. 2, а и б. Однако в этом случае частота тока остается неизменной.

Время нагрева круглых и квадратных заготовок пр одинаковой плотности тока и при нагреве в поперечном поле получается в 1,5-2,0 раза больше, чем при нагреве в продольном поле. В этом случае значительная часть поверхности заготовок не обтекается током. Еще больше растет время нагрева три нагреве прямоугольных заготовок в поперечном магнитном поле, так как в этом случае индуктированный ток протекает только по узкой боковой поверхности заготовки.

Металлическая лента и листы. Индукционный нагрев металлической ленты может быть успешно использован при проведении ряда важных технологических процессов. С помощью индукционного нагрева производится сушка защитного покрытия, исключающего сваривание и окисление при термической обработке рулонов трансформаторной стали в колпаковых печах. Проектируются установки для сушки лаковых покрытий при изготовлении жести, для нанесения пластмассовых покрытий на металлическую ленту и ряд других.

Во всех случаях вместо пламенных печей и печей сопротивления длиной в несколько десятков метров представляется возможным использовать индукционные нагревательные устройства длиной в несколько метров. Толщина ленты и листов, подвергающихся индукционному нагреву, лежит в большинстве случаев в пределах от 0,15 до 3,0 мм.

По специфике использования индукционного нагрева ленты и листы могут быть разбиты на три характерных группы:

1) ленты и листы из ферромагнитных материалов, подвергающихся нагреву до температуры ниже точки магнитных превращений;

2) ленты и листы из парамагнитных материалов;

3) ленты и листы из ферромагнитных материалов, подвергающихся нагреву до температуры выше точки магнитных превращений.

Рис. 3. Схемы нагрева ленты: а - в продольном; б - в поперечном магнитном поле.
Стрелками показано мгновенное направление тока в индуктирующем приводе и нагреваемых заготовках.

Нагрев лент первой группы нужно производить с помощью индукторов с продольным магнитным полем (рис. 3,а). В этом случае лента проходит через овальную многовитковую катушку определенной длины. Индуктируемый в ленте ток замыкается в плоскости ее поперечного сечения. Коэффициент полезного действия такого индуктора будет достаточно высок, если толщина ленты будет в несколько раз больше глубины проникновения тока.

Минимальная частота тока, обеспечивающая удовлетворительный к. п. д. нагревательного устройства при наименьшей длине индукторов может быть определена из следующего соотношения:

(4)

где ρ - удельное электрическое сопротивление металла, ом;

μ_е- магнитная проницаемость материала ленты на ее поверхности;

t - толщина ленты, м.

Магнитная проницаемость ферромагнитного материала зависит от напряженности магнитного поля, в котором он находится. При индукционном нагреве ленты в продольном поле напряженность поля обычно много выше, чем 100 а/м. В таких полях магнитная проницаемость уменьшается с ростом их напряженности. Поэтому оптимальная частота увеличивается с ростом напряженности поля.

Это обстоятельство позволяет ;в известных пределах произвольно изменять частоту тока при нагреве ленты.

Желая понизить частоту тока, необходимо уменьшить напряженность магнитного поля. Однако при этом будет также уменьшаться удельная мощность, передаваемая в ленту. Для передачи ленте той же энергии, при данной скорости ленты, необходимо соответственно увеличить длину индукторов.

Рис. 4. Графики зависимости скорости нагрева ленты от частоты тока: а - лента толщиной 0,15 мм; б - лента толщиной 0,25 мм.

На рис. 4 представлены графики зависимости скорости нагрева ленты из ферромагнитных материалов толщиной 0,15 мм и 0,25 мм от частоты тока. Из графиков видно, что при использовании тока частотой 8000 гц для нагрева ленты толщиной 0,25 мм может быть достигнута скорость нагрева 100° С/сек. Если, например, в технологическом процессе обработки ленты требуется нагрев до 200° С, а скорость ее движения 120 м/мин, суммарная длина индукторов должна быть равна 4 м.

При использовании тока частотой 70 кгц нагрев этой же ленты может быть осуществлен со скоростью 1250° С/ceк. В этом случае длина индуктора может быть сокращена до 170 мм.

При выборе частоты тока нужно учитывать также и удобства создания высокочастотных индукционных устройств и условия эксплуатации высокочастотных генераторов. С этой точки зрения нужно отдавать предпочтение высокочастотным машинным преобразователям. Производить нагрев лент из неферромагнитных материалов с помощью индукторов с продольным магнитным полем нецелесообразно, ввиду невозможности достичь высокого значения коэффициента мощности (cos φ).

Для нагрева таких лент нужно использовать индукторы с поперечным магнитным полем (рис. 3, б). Индуктирующий провод такого индуктора образован двумя плоскими прямоугольными рамками из медной трубки, установленными на небольшом расстоянии друг от друга. Рамки расположены так, что магнитные потоки их складываются. Лента пропускается между рамками. Поэтому магнитный поток, проходящий последовательно через одну и вторую рамки, пронизывает ленту перпендикулярно ее плоскости. Индуктируемый ток замыкается в плоскости ленты. Последнее обстоятельство позволяет применять для нагрева ленты в индукторах с поперечным магнитным полем ток значительно более низкой частоты, чем при нагреве ее в продольном поле.

Частота тока, обеспечивающая нагрев лент в поперечном магнитном поле с к. п. д., близким к максимальному, может быть определена по формуле

(5)

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала ленты, ом∙м;

t - толщина ленты, м;

h - воздушный зазор индуктора, мм;

τ - шаг индуктора, м.

Формула справедлива при отношении воздушного зазора к шагу индуктора, равном 0,25-0,5, что чаще всего имеет место в практике.

При использовании индукторов с поперечным полем может быть достигнута скорость нагрева 5000° С/сек и более. Длина индукторов при осуществлении любого технологического процесса будет незначительной. Основной трудностью осуществления нагрева ленты в поперечном магнитном поле является достижение равномерного распределения температуры по ее ширине. Форму индуктора приходится подбирать опытным путем таким образом, чтобы в каждой точке поверхности ленты при движении сквозь индуктор выделялось одинаковое количество тепла.

Практически при нагреве непрерывной ленты удается осуществить нагрев таким образом, чтобы температура в различных точках ее отклонялась не более чем на ±5% от заданной величины. При нагреве отдельных кусков ленты и листов необходимую для равномерного нагрева форму индуктора подобрать не удается. Поэтому нагрев листов можно осуществлять только в продольном магнитном поле.

Нагрев ленты из ферромагнитных материалов до температуры выше точки магнитных превращений наиболее целесообразно осуществлять в комбинированном нагревательном устройстве до температуры магнитных превращений с помощью индукторов с продольным полем, а далее с помощью индукторов с поперечным магнитным полем. При создании каждого из элементов такого устройства нужно пользоваться вышеизложенными рекомендациями.

Трубные заготовки. Нагрев трубных заготовок и колец осуществляется обычно в цилиндрических индукторах током высокой частоты. При выборе частоты тока для нагрева труб и колец необходимо соблюдать следующие два условия:

(6)

(7)

где d -внешний диаметр трубы, см;

а - толщина его стенки, см;

Δ_гор - глубина проникновения тока в горячий металл.

Если глубина проникновения Δ_гор значительно больше толщины стенки, для нагрева коротких труб и колец используются также индукторы с замкнутыми магнитопроводами (см. рис. 35). Индуктирующий провод наматывается на сердечник магнитопровода. Нагреваемая деталь одевается на тот же сердечник и в зависимости от ее размеров помещается или внутрь или поверх индуктирующего провода. При таком способе нагрева используются частоты более низкие, чем обусловленные уравнениями (6) и (7).

Э. д. с., индуктируемая в кольце, может быть определена по формуле

(8)

где В- индукция, в/м²;

f - частота, гц;

S - площадь сердечника магнитопровода, м²;

k - коэффициент пропорциональности.

Из приведенной формулы видно, что для получения достаточно большой э. д. с. в случае низкой частоты необходимо увеличивать индукцию в сердечнике и площадь его сечения.

При нагреве током промышленной частоты, индукция не должна превышать 10 000 гс. Иначе в случае непрерывной работы устройства сердечник будет сильно нагреваться. Площадь сердечника ограничена размерами отверстия в нагреваемом кольце.

Обычно установки с замкнутыми магнитопроводами используются при нагреве на промышленной частоте колец и гильз диаметром более 100 мм.

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.

Время сквозного индукционного нагрева заготовок

2014-06-30 00:00:00

Если при данной частоте тока требуется нагреть заготовку быстро, необходимо использовать режим нагрева при постоянной температуре на поверхности.

Для осуществления такого режима в начале нагрева необходимо подвести к заготовке большую мощность, а затем, когда поверхностный слой в пределах горячей глубины проникновения достигает заданной температуры, эта мощность должна быть снижена до уровня, достаточного для поддержания в нагретом слое постоянной температуры.

Мощность, подводимая к единице поверхности при данной частоте тока, пропорциональна квадрату ампервитков, приходящихся на единицу длины индуктора.

Поэтому при методическом способе индукционного нагрева режим постоянной температуры на поверхности заготовки можно осуществить, разбивая индуктор на несколько секций. Секции навиваются из трубок различного поперечного сечения и отличаются поэтому друг от друга различным шагом навивки и, следовательно, числом витков на единицу длины. Длина каждой секции должна быть кратной длине заготовки. В начале индуктора, куда подаются холодные заготовки, располагаются секции с малым шагом навивки, т. е. большим числом витков на единицу длины. В последующих секциях число витков на единицу длины постепенно уменьшается. Электрически все секции соединяются последовательно, поэтому по ним протекает одинаковый ток.

Шаг навивки секции подбирается таким образом, чтобы в первой секции к заготовке подводилась большая мощность, достаточная для быстрого нагрева ее поверхности. В остальных секциях подводимая мощность уменьшается в соответствии с требованиями режима нагрева при постоянной температуре.

Для обеспечения однообразия режима нагрева для всех заготовок данной партии напряжение на индукторе и темп подачи заготовок в индуктор поддерживается постоянным.

При периодическом способе нагрева заготовка лежит в индукторе неподвижно. Число ампервитков на единицу длины индуктора может быть изменено только изменением силы тока в индукторе. Сила тока изменяется при изменении напряжения на индукторе. Поэтому при периодическом способе нагрева режим с постоянной температурой на поверхности можно осуществить с помощью системы управления, автоматически изменяющей напряжение. Эта система должна управляться фотопирометром, измеряющим, температуру на поверхности заготовки. Может быть использована также система программного регулирования.

При нагреве первой заготовки, измеряя температуру поверхности термопарой или фотопирометром, при ручном управлении, подбирают необходимый закон изменения напряжения на индукторе. Затем этот закон воспроизводится запоминающим устройством.

Время, необходимое для нагрева заготовок различного диаметра при нагреве током частотой 500, 1000, 2500, 8000 гц и радиочастоты в режиме постоянной температуры поверхности, можно определить по кривым, приведенным на рис. 5.

Рис. 5. Время нагрева заготовок в режиме постоянной температуры на поверхности током различной частоты в гц:

1 - 600; 2 - 1000; 3 - 2500; 4 - 8000; 5 - радиочастоты.

Рис. 6. Время нагрева заготовок при обычном режиме нагрева током различной частоты в гц:

1 - 1000; 2 - 2500; 3 - 8000.

В практике индукционного нагрева встречается много случаев, когда нагрев в режиме постоянной температуры не может быть использован. В некоторых материалах при большом градиенте температур образуются трещины.

Если при методическом нагреве в одном и том же индукторе требуется нагревать различные заготовки, длина секций индуктора может оказаться не кратной длине заготовки. При нагреве заготовок одинакового диаметра может потребоваться разная производительность.

Не всегда, как это будет показано ниже, при данной частоте можно осуществить индуктор для нагрева по режиму с постоянной температурой на поверхности. Плотность тока в первых секциях индуктора может оказаться недопустимо большой. Сечение трубки, получившееся при расчете индуктора, будет мало для пропускания достаточного количества воды и т. п.

Если нагрев при постоянной температуре использован быть не может, необходимо выбрать какой-либо другой режим нагрева.

Проще всего и изготовлении и настройке для нагрева различных заготовок индукторы с постоянным шагом навивки индуктирующего провода. При методическом и периодическом способах нагрева в таких индукторах всегда удается подобрать напряжение на индукторе таким образом, чтобы температура на поверхности и в сердцевине, постепенно повышаясь, одновременно достигла заданных значений. Для получения однообразных результатов напряжение на индукторе должно поддерживаться постоянным. Такой режим нагрева, как уже указано выше, называют обычным нагревом.

Благодаря уменьшению градиента температуры при обычном нагреве время нагрева значительно возрастает. Оно может быть определено по графикам рис. 6.

Кривые рис. 5 и 6 построены на основании экспериментальных работ, во время которых нагревались заготовки из конструкционных углеродистых сталей. Для легированных сталей, а также цветных металлов, физические свойства которых сильно отличаются от свойств углеродистой конструкционной стали, время нагрева должно быть определено опытным путем.

После того как выбраны частота и режим нагрева и по кривым на рис. 5 или 6 определено время нагрева, выбирают способ нагрева. Соображения, которыми руководствуются при выборе способа нагрева, излагаются в гл. II при описании схем нагревателей. Затем для методического способа нагрева определяют число заготовок в индукторе по формуле

(9)

где t_н - время нагрева;

t_к- заданный темп выдачи заготовок.

Длина индуктора определяется по формуле

(10)

где l₂ - длина заготовки;

Δl - дополнительная величина, на которую необходимо удлинить индуктор, чтобы первая и последняя заготовки находились достаточно далеко от концов индуктора.

При периодическом способе нагрева по формуле определяется число индукторов, необходимых для обеспечения заданной производительности.

Время, необходимое в каком-либо конкретном случае для нагрева заготовок до заданной температур поверхности при определенном перепаде температур, обычно несколько отличается от получаемого по кривым на рис. 5 и 6. Это отличие может быть связано с некоторой разницей в конструкции и размерах индуктора а также разницей физических свойств между нагреваемой заготовкой и теми заготовками, которые нагревались при экспериментальном построении вышеуказанных кривых. Однако фактическое время будет одним и тем же для всех заготовок данной партии, если напряжение на индукторе остается постоянным или изменяется не значительно. В этом случае для управления процессом нагрева может быть установлено реле времени. По команде реле через равные интервалы заготовки могут подаваться в индуктор и извлекаться из него.

Если вследствие каких-либо причин напряжение на индукторе изменяется так, что при выдаче заготовок через равные интервалы времени изменения температуры превышают допустимые пределы, для управления процессом нагрева можно воспользоваться термопарой или фотопирометром.

Фотопирометр и термопара измеряют температуру на поверхности заготовки. Чтобы фотопирометр давал правильные показания, поверхность заготовок должна быть чистой от окалины и масла. Дым и копоть, образующиеся при горении масла, нарушают нормальную работу фотопирометра.

Термопара прижимается к поверхности заготовки специальным приспособлением. В момент удаления заготовки из индуктора термопара приподнимается.

Команды на выдачу нагретых заготовок, подаваемые фотопирометром и термопарой после измерения ими температуры поверхности автоматически изменяют темп выдачи от заготовки к заготовке и компенсируют таким образом отклонения в режиме, связанные с колебаниями напряжения на индукторе. При этом в некоторых пределах будет также изменяться перепад температуры. Поэтому колебания напряжения на индукторе при использовании термопар и фотопирометров также должны быть ограничены определенными пределами.

В случае нагрева в режиме постоянной температуры на поверхности заготовки термопара и фотопирометр должны измерять температуру в центре заготовки на ее торце. Температура в этом месте будет несколько отличаться от температуры на оси заготовки в точках удаления от торца. Однако разница температур не очень велика и, кроме того, одинакова для всех заготовок данного типа, а поэтому существенного значения для работы устройства иметь не будет.

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.

Принципиальная схема индукционного нагревательного устройства

2014-06-30 00:00:00

До сих пор из всего устройства, необходимого для осуществления индукционного нагрева, мы рассматривали только индуктор. Для питания индукторов могут использоваться следующие источники:

Cеть промышленной частоты 50 гц;
Машинные преобразователи частоты, от которых получается ток частотой от 500 до 8000 гц,
Ламповые генераторы - источники тока частотой от 70 кгц до нескольких мегагерц.
Индукционные установки ТВЧ на базе современных IGBT и MOSFET транзисторов (добавлено редактором elisit.ru)

Наибольшее распространение в промышленности получили установки с питанием от машинных преобразователей частоты.

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема индукционного нагревательного устройства:
1 - машинный генератор тока высокой частоты; 2 - электромашинный усилитель, управляющий режимом нагрева; 3 - контактор для включения и выключения нагрева; 4 - шкаф с измерительными приборами и аппаратурой управления работой электромашинного усилителя 2; 5 - высокочастотный автотрансформатор для регулирования напряжений на индукторе; 6 - индуктор; 7 - фотопирометр и усилитель к нему; 8 -толкатель, подающий заготовки в индуктор; 9 - пульт с элементами схемы автоматического управления работой толкателя; 10 - батарея конденсаторов.

На рис. 7 приведена принципиальная электрическая схема, на которой показаны все основные элементы индукционного нагревательного устройства, получающего питание от машинного преобразователя частоты. Тип источника или генератора тока высокой или повышенной частоты выбирается в соответствии с частотой и мощностью, необходимых для нагрева заготовок данной формы с заданной производительностью.

Управление режимом нагрева осуществляется с помощью электромашинного или магнитного усилителя. Включение и выключение нагрева контактором применяется при параллельном питании от одного генератора нескольких нагревательных устройств.

При индивидуальном питании нагревательного устройства нагрев может включаться и отключаться как контактором, так и включением и отключением возбуждения генератора.

Для наблюдения за режимом работы устройства служит комплект измерительных приборов с трансформаторами тока и напряжения.

Для регулирования напряжения, подводимого к индуктору, и, следовательно, мощности, передаваемой в нагреваемые заготовки, служит высокочастотный автотрансформатор. Автотрансформатор устанавливается в случае централизованного питания. При индивидуальном питании единичного нагревательного устройства напряжение, подводимое к индуктору, изменяется регулированием тока возбуждения генератора. Размеры и форма индуктора определяются размерами и формой заготовки, а также требуемой производительностью устройства.

В качестве датчика для системы автоматического управления нагревом, применяется фотопирометр с усилителем.

Нагреваемые заготовки подаются в индуктор и выдаются из него для последующей обработки с помощью специального механизма.

Первые четыре элемента схемы располагаются обычно в отдельном помещении - генераторной станции. Остальные в зависимости от принятого способа компоновки собираются в одном или нескольких корпусах, устанавливаются в цеху и образуют собственно тот агрегат, который принято называть «индукционным нагревателем ».

Питание нагревателей осуществляется как по индивидуальной схеме, когда один нагреватель соединен с одним или несколькими параллельно работающими преобразователями частоты, так и по централизованной схеме, когда несколько нагревателей связаны с центральной генераторной станцией.

Схемы индивидуального питания используются при установке в цехе одного нагревателя и в случаях установки нескольких нагревателей, если потребляемая каждым нагревателем мощность в процессе работы изменяется незначительно. При установке в цехе большого количества нагревателей со значительно изменяющейся потребляемой мощностью должны применяться схемы централизованного питания.

В этом случае генераторы могут быть использованы лучше. При уменьшении мощности, потребляемой несколькими нагревателями, часть генераторов может быть остановлена. Так как обычно все нагреватели не работают одновременно с максимальной нагрузкой, общая установленная мощность генераторов может быть при централизованном питании меньше.

При индивидуальном питании режим нагрева определяется напряжением на генераторе, которое поддерживается на установленном уровне с помощью автоматического регулятора с электромашинным или магнитным усилителем. При централизованном питании напряжение на сборных шинах, к которым параллельно присоединены все генераторы, автоматически поддерживается равным номинальному напряжению генераторов.

Напряжение на каждом отдельном нагревателе, а следовательно и режим его работы, устанавливается с помощью автотрансформатора.

Существуют две схемы передачи энергии от сборных шин к нагревателям при централизованном питании:

в цехе прокладываются один или два фидера, соединенных со сборными шинами. К фидерам параллельно подключаются нагреватели;
к каждому из нагревателей от сборных шин прокладывается отдельный фидер.

Недостатком первого способа канализации энергии является взаимное влияние нагревателей друг на друга в процессе работы. Стабильность температуры нагреваемых заготовок в этом случае может обеспечивать только применением фотопирометра, однако при это перепад температуры между поверхностью и сердцевиной заготовки может отклониться от заданного. Может также измениться производительность нагревателя.

Второй способ канализации энергии свободен от этих недостатков, но связан с прокладкой большого числа линий, а следовательно с большими капитальными затратами. Несмотря на это, предпочтение нужно отдавать второму способу. Постоянство температуры заготовок в этом случае может быть обеспечено как с помощью фотопирометра, так и с помощью реле времени.

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.

Схемы основных типов индукционных нагревателей

2014-06-27 00:00:00

1. Выбор конструкции индуктора и схемы нагревателя

Конструкция индуктора и механизмов, автоматизирующих работу нагревательного устройства, в значительной степени определяется размерами и формой нагреваемых заготовок, требуемой производительностью, температурой нагрева и другими технологическими особенностями процесса. Схема автоматического управления составляется в соответствии с принятым способом, дозирования нагрева и конструкцией механизмов, используемых для автоматизации подачи заготовок.

Остальные элементы нагревательного устройства: конденсаторная батарея, контактор, измерительные приборы, автотрансформатор-не связаны технологическими особенностями производства. Они выбираются в зависимости от частоты тока и потребляемой мощности и могут быть одинаковыми у нагревателей различной конструкции. Отличными могут быть только способы их компоновки в один общий агрегат с остальными частями нагревателя. Эти способы выбираются в зависимости от места в цеху, отводимого под нагреватель, возможности сооружения подвалов под нагревателем для расположения конденсаторов и т. д.

Таким образом, проектирование индукционного нагревателя состоит из выбора конструкции индуктора, разработки механизмов, подающих заготовки, составления схемы автоматического управления работой нагревателя, компоновки элементов между собой и размещения их в цеху.

Нагрев заготовок определенного размера и формы часто можно осуществлять в индукторах различного типа. Так, например, мерные цилиндрические заготовки можно нагревать в круглых цилиндрических- индукторах, в индукторах цилиндрических секционированных, т. е. разделенных на отдельные части, между которыми оставлены промежутки для размещения механизмов, транспортирующих заготовки, и индукторах щелевых.

Если зазор между нагреваемой заготовкой и индуктирующим проводом не очень велик, цилиндрические индукторы имеют высокий к. п. д. и обеспечивают хорошую защиту поверхности заготовки от образования окалины, так как в малом промежутке между заготовкой и футеровкой воздух почти не циркулирует. Однако проталкивание заготовок сквозь длинные цилиндрические индукторы при малых зазорах затруднено. Часто повреждается футеровка и изоляция. Если механизмы сложны и ненадежны в эксплуатации, нагреватель приходится часто останавливать для ремонта и подналадки. При этом питающие генераторы работают на холостом ходу. Смежные механизмы и обслуживающий персонал простаивают. При таких простоях может быть потерян весь выигрыш, достигнутый за счет использования индуктора с высоким к. п. д.

Индукторы щелевые и цилиндрические, разделенные на отдельные секции, между которыми установлены ролики, поддерживающие заготовки, имеют более низкий к. п. д.

Заготовки в них легко омываются воздухом и поэтому окисляются сильнее. Однако механизмы для подачи и перемещения заготовок в нагревателях с такими индукторами получаются более простыми и надежными.

Таким образом, при выборе конструкции основных элементов нагревателя- индуктора и механизмов приходится учитывать весьма разнообразные технико-экономические факторы. Поэтому трудно привести общие правила, руководствуясь которыми можно было бы во всех случаях выбрать оптимальную схему этих устройств.

В настоящее время разработано и построено большое число нагревателей различного типа. Ознакомление с их конструкциями поможет читателю правильно решать возникающие перед ним задачи.

Ниже приводится схематическое описание конструкции индукторов и механизмов для подачи заготовок для некоторых типов индукционных нагревателей, уже нашедших применение в промышленности.

2. Способы транспортирования заготовок сквозь индуктор

Применяются два принципиально отличных способа транспортирования заготовок сквозь индуктор:

1) заготовки одна за другой подаются в индуктор с помощью толкателя или ведущих роликов, установленных перед индуктором. Каждая заготовка проталкивает все заготовки, находящиеся впереди;

2) посредством специальных транспортирующих устройств - шагающего механизма, цепи, карусельного стола или роликов, поддерживающих заготовки во время их перемещения сквозь индуктор.

Первый способ транспортирования используется главным образом при нагреве в круглых цилиндрических индукторах. Нагреваемые заготовки обычно поддерживаются водоохлаждаемыми трубчатыми направляющими. Чтобы заготовки не заклинивались в индукторе и не повреждали его футеровку, они должны быть прямыми. Торцы заготовок должны быть перпендикулярны их оси и не иметь больших заусенцев. Отношение длины заготовки к ее диаметру не должно быть больше 1,5.

При первом способе транспортировки, в случае заклинивания заготовок или не подачи по каким-либо причинам очередной заготовки в индуктор, перемещение и выдача заготовок прекращаются. Во избежание перегрева заготовок, находящихся в индукторе, последний должен быть отключен. Остановлены должны бы также механизмы, подающие заготовки.

После устранения причины задержки нагреватель снова включается в работу. Однако при продолжительной остановке заготовки, лежащие в индукторе, остывают. Поэтому первые заготовки, выходящие из индуктора, после перерыва в работе нагревателя не успевают нагреться до заданной температуры. Они должны быть возвращены для повторного нагрева. Точно так же при остановке нагревателя в конце смены большое число заготовок остается в нагревателе. На другой день в начале работы первые заготовки, выходящие из индуктора, не имеют заданной температуры.

Весьма существенным недостатком первого способа транспортирования, при котором заготовки проталкивают друг друга, является частое сваривание заготовок друг с другом. Вследствие сваривания заготовки выдаются из индуктора сразу по две.

Перемещение заготовок с помощью специальных транспортирующих устройств используется при нагреве в щелевых и секционированных индукторах. Шагающие механизмы иногда используются также для перемещения заготовок в круглых цилиндрических индукторах.

При перемещении с помощью специальных транспортирующих устройств заготовки могут пропускаться сквозь индуктор по одной, что бывает необходимо при наладке ковочного агрегата. Перерывы в подаче заготовок не сказываются на нормальной работе нагревателя.

В конце рабочего дня индуктор может быть полностью освобожден от заготовок. При транспортировке заготовок цепью, шагающим механизмом или карусельным столом они могут иметь значительную кривизну и заусенцы. Отношение длины к диаметру не имеет существенного значения. Секционированные индукторы с промежутками между секциями для установки механизмов, перемещающих заготовку, могут использоваться для нагрева заготовок длиною больше 400 мм.

3. Методические нагреватели для мерных заготовок

Эти нагреватели строятся в различных конструктивных модификациях для нагрева заготовок как в продольном, так и поперечном магнитном поле.

Рис. 14. Схема методического нагревателя с механическим толкателем:
1 - индуктор; 2 - заготовки, подлежащие нагреву; 3 - толкатель с зубчатой рейкой; 4 - шестерня привода, зацепляющаяся с рейкой толкателя; 5 - ролики, извлекающие заготовку из индуктора.

Рис. 15. Схема методического нагревателя с непрерывным движением заготовок:
1 - индуктор; 2 - заготовки, подлежащий нагреву; 3 - магнитные ролики; 4 - ролики, извлекающие заготовки из индуктора.

Схемы методических нагревателей, в которых использован первый способ транспортирования заготовок, приведены на рис. 14 и 15. В нагревателе с механическим толкателем (рис. 14) заготовки, подлежащие нагреву укладываются на наклонный лоток. Толкатель, приводимый в движение электродвигателем посредством червячного редуктора, поочередно, через определенные интервалы времени, подает заготовки в индуктор

При каждом ходе толкателя заготовки, лежащие в индукторе, сдвигаются на один шаг влево. У левого конца индуктора установлены ролики. Ролики все время вращаются. Они приводятся во вращение вторым электромотором. Нагретая заготовка, выталкиваемая из индуктора, попадает на ролики, увлекается ими и сбрасывается на транспортер, передающий ее для последующей обработки. Работой нагревателя управляет реле времени или фотопирометр посредством схемы автоматического управления.

В нагревателе с непрерывным движением заготовок (рис. 15) проталкивание последних осуществляется магнитными роликами, установленными перед индуктором. Каждый ролик состоит из двух дисков, на наружных диаметрах сняты фаски под углом 45°. Между дисками помещен постоянный магнит. Фаски на дисках образуют канавку для заготовок.

Магнит притягивает заготовку к роликам и обеспечивает таким образом перемещение ее без проскальзывания. Заготовки, подлежащие нагреву, укладываются на наклонный лоток. Отсекающий механизм пропускает их по очереди на магнитные ролики.

Последние подают заготовки одну за другой непрерывным потоком в индуктор. Темп выдачи нагретых заготовок определяется скоростью перемещения их, т. е. числом оборотов магнитных роликов. Ролики у выхода из индуктора, удаленные от него на длину заготовки, имеют увеличенную окружную скорость. Таким образом, сокращается промежуток времени между моментами выхода заготовок из индуктора и подачи ее в ковочный агрегат.

Рис. 16. Схема методического нагревателя с цилиндрическим индуктором и шагающим механизмом для транспортирования заготовок:
1 - индуктор; 2 - заготовки; 3 - неподвижные направляющие, поддерживающие заготовки; 4 - подвижные направляющие, перемещающие заготовки; 5 - вибрационный бункер, подающий заготовки на направляющие 3 и 4; 6 - кулачковый вал, приводящий направляющие 4.

В нагревателе с цилиндрическим индуктором и шагающим механизмом (рис. 16) заготовки, подлежащие нагреву посредством вибрационного бункера или какого-либо иного устройства подаются по одной на три направляющие, проходящие сквозь индуктор. Средняя из этих направляющих подвижная, а две крайние неподвижные. Подвижная направляющая приводится в возвратно-поступательное движение электродвигателем посредством червячного редуктора и кулачкового диска. При своем движении средняя направляющая приподнимает заготовки с крайних и перемещает их небольшими шагами вдоль индуктора.

Скорость перемещения заготовок определяется числом ходов в минуту и амплитудой колебания подвижной направляющей. Изменяя число оборотов приводного электродвигателя, можно в соответствии с требуемой производительностью изменять скорость перемещения заготовок.

В нагревателях большой производительности при нагреве заготовок длиной больше 400 мм используются секционированные индуктора. Между секциями индуктора помещаются механизмы, поддерживающие и перемещающие заготовки. Шаг, с которым устанавливаются секции, должен быть несколько меньше половины длины заготовки. При этом каждая заготовка всегда будет опираться по меньшей мере в двух точках на механизмах, располагающихся между секциями. Длина секции должна быть несколько меньше шага, чтобы в промежутках между секциями было достаточно места для расположения вышеуказанных механизмов.

Схемы нагревателей c секционированными индукторами приведены на рис. 17, 18 и 19.

Рис. 17. Схема нагревателя с секционированным индуктором и роликовым механизмом для транспортирования заготовок:
1 - секции индуктора; 2 - нажимные ролики, служащие для увеличения силы сцепления между заготовками и роликами 4; 3 - заготовки; 4 - ведущие ролики.

В нагревателе с роликовым приводом (рис. 17) заготовки, подлежащие нагреву, с наклонного лотка по одной подаются на ролики. Перед первой секцией индуктора и между секциями установлены, кроме поддерживающих роликов, также прижимные. Последние увеличивают сцепление между заготовкой и ведущими роликами и таким образом не позволяют ей останавливаться при случайных прикосновениях к футеровке индуктора.

В связи с тем, что в секционированных индукторах нет направляющих, поддерживающих заготовку, последняя не оказывает обычно никаких механических воздействий на футеровку и изоляцию индуктора. Поэтому толщину футеровки можно уменьшить. Благодаря уменьшению зазора между индуктирующим проводом и заготовкой к. п, д. индуктора несколько увеличивается.

Недостаток секционированного индуктора -трудность защиты заготовок от окисления, так как они легко омываются воздухом в промежутках между секциями.

Поэтому промежутки необходимо закрывать, например, трубками из шамота или другого жаростойкого материала.

Рис. 18. Схема нагревателя с секционированным индуктором и шагающим механизмом для транспортирования заготовок:
1 - секции индуктора; 2 - неподвижные опоры; 3 - подвижные опоры, перемещающие заготовки; 4- заготовки; 5 - кулачковый вал, приводящий подвижные опоры 3.

Для подачи заготовок в нагревателях с секционированными индукторами могут быть использованы также шагающие механизмы (рис. 18). Заготовки лежат на неподвижных опорах, установленных перед индуктором и между секциями его. Подвижные опоры закреплены на общей рейке. Под действием системы рычагов, приводимых в движение кулачковым валом, рейка посредством подвижных опор периодически приподнимает заготовки и смещает их вдоль индуктора, Если кроме перемещения заготовок вдоль оси необходимо также их вращать, ведущие ролики между секциями индуктора устанавливаются под углом к направлению оси заготовок (рис. 19).

Рис. 19. Схема нагревателя с секционированным индуктором и роликовым механизмом для перемещения и вращения заготовок:
1 - секции индуктора; 2 - ведущие ролики, оси которых расположены под углом к оси заготовки; 3 - заготовки.

Меняя величину этого угла, можно изменять скорость перемещения заготовок сквозь индуктор. Вращение заготовок может быть полезно в устройствах для термообработки прутков , так как оно способствует выравниванию нагрева и охлаждения. Чтобы при вращении прутки не задевали за индукторы, кривизна их должна быть незначительной.

При нагреве в поперечном магнитном поле круглых, квадратных и прямоугольных заготовок время нагрева возрастает. Однако в ряде случаев использование поперечного магнитного поля позволяет упростить механизмы транспортирующие заготовки.

Рис. 20. Схема карусельного нагревателя с щелевым индуктором:
1 - индуктор; 2 - заготовки; 3 - вращающийся стол; 4 - механизм привода стола; 5 - отражатель, сбрасывающий заготовки.

В нагревателе карусельного типа с щелевым индуктором (рис. 20) заготовки укладываются на вращающийся стол. Поверхность стол футерована жаростойким, непроводящим материалом. Карусельный нагреватель может использоваться для нагрева коротких заготовок в небольшом диапазоном длин и диаметров.

В случае нагрева нескольких цилиндрических заготовок в цилиндрическом индукторе последние можно располагать двумя способами.

1) продольные оси заготовок находятся на одной прямой. В этом случае длина индуктора несколько превышает сумму длин находящихся в нем заготовок. Индуктор имеет прямоугольное или круглое поперечное сечение в соответствии с формой поперечного сечения заготовки. В схемах, рассмотренных выше, принят описываемый способ расположения заготовок

2) заготовки располагаются рядом, параллельно друг другу, в одной плоскости, подобно, например, карандашам в коробке. Длина индуктора определяется суммой диаметров нагреваемых заготовок. Поперечное сечение индуктора имеет прямоугольную форму с закругленными углами. Размеры поперечного сечения определяются диаметром и длиной заготовки. Заготовки перемешаются в индукторе в направлении, перпендикулярном их оси.

При втором способе расположения заготовок в индукторе магнитное поле направлено перпендикулярно оси заготовок. Поэтому время нагрева несколько увеличивается. В индукторе должно находиться примерно в полтора раза больше заготовок, чем при первом способе расположения их. Однако второй способ расположения заготовок применяется, когда длина заготовок значительно превышает их диаметр. При этом удается в несколько раз уменьшить длину индуктора.

Рис. 21. Схема нагревателя для нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле:
1 - толкатель, подающий заготовки по одной в индуктор 4 из магазина; 2 - магазин с заготовками; 3 - защелка, нe позволяющая заготовкам скатываться вниз из индуктора; 4 - индуктор.

На рис. 21 показана схема нагревателя с индуктором, в котором заготовки расположены в процессе нагрева перпендикулярно магнитному полю. Индуктор установлен слегка наклонно.

Заготовки из магазина подаются в индуктор по одной снизу вверх. Верхняя заготовка выкатывается из индуктора. Нагреватели такого типа могут использоваться в очень узком диапазоне длин и диаметров заготовок.

4. Периодические нагреватели для мерных заготовок

В индукторе периодического нагревателя находится одна заготовка. Нагрев включается после подачи заготовки в индуктор. Перед выдачей заготовки индуктор отключается. В том случае, если необходимая производительность обеспечивается при нагреве заготовок одной, естественно, должен использоваться периодический нагреватель. Однако и в том случае, когда невысокой производительности устройства необходимо одновременно нагревать несколько заготовок, может оказаться целесообразным вместо одного методического индуктора установить несколько периодических.

Проталкивание заготовок в нескольких коротких периодических индукторах осуществляется проще, чем в одном длинном методическом. Можно нагревать заготовки с большей кривизной, с неровными обрезами заусенцами.

В зависимости от требуемой производительности можно использовать то или иное число индукторов. Во время наладки ковочного агрегата заготовки можно нагревать по одной. В конце смены можно выдать заготовки из всех индукторов.

При включении нагревателя, после перерыва в работе, связанного с ремонтом смежного оборудования, все заготовки могут быть доведены до заданной температуры и выданы для последующей обработки. В случае выхода из строя одного из индукторов, остальные могут продолжать нормальную работу.

При нагреве заготовок на промышленной частоте используя три или шесть периодических индуктора обеспечивают равномерную загрузку всех фаз трехфазной сети.

Однако механизмы для автоматического распределения заготовок по нескольким периодическим индукторам получаются более сложными, чем при подаче заготовок в один методический индуктор.

Если индукторы установлены неподвижно, приходится устанавливать механизмы, распределяющие готовки в определенном порядке по индукторам. Эти механизмы и схема автоматического управления получаются весьма сложными.

Для упрощения устройств, подающих заготовки, в некоторых конструкциях индукторы устанавливаются на подвижных каретках или вращающихся барабанах. Это позволяет устанавливать индукторы по очереди по оси толкателя, служащего для подачи заготовок.

Подвод тока и воды к подвижным индукторам несколько усложняется. Однако механизмы, подающие заготовки, работают более надежно.

В периодических нагревателях заготовки могут поддерживаться как трубчатыми водоохлаждающими направляющими, проходящими внутри индуктора, так и водоохлаждаемыми опорами под концами заготовок.

Ниже рассматривается несколько схем нагревателей с подвижными и неподвижными индукторами.

Рис. 22. Схема периодического нагревателя с подвижным индуктором:
1 - индуктор; 2 - опоры для заготовок, охлаждаемые водой; 3 - цилиндр, перемещающий каретку 4; 4 - каретка, на которой смонтирован индуктор.

В нагревателе (рис. 22) индуктор установлен на подвижной каретке. Благодаря этому он может смещаться вдоль оси. Заготовка удерживается концами на неподвижных опорах. После окончания нагрева каретка с индуктором смещается в сторону, а заготовка остается на месте.

При смещенном индукторе нагретая заготовка легко может быть снята и заменена новой. Иногда в описанной схеме индуктор устанавливается неподвижно, а опоры для заготовок закрепляются на подвижной каретке.

Рис. 23. Схема нагревателя с двумя периодическими индукторами:
1 - магазин для заготовок; 2 - убирающийся упор, останавливающий заготовку; 3 -рольганг для подачи заготовок на площадки 6; 4 - механизмы для выдачи нагретых заготовок; 5 - рольганг для транспортировки нагретых заготовок; 6 - площадка перед индуктором на несколько заготовок; 7 - толкатель для подачи заготовки в индуктор.

В нагревателе (рис. 23) два периодических индуктора, расположены вдоль общей оси. С обеих сторон от индукторов параллельно их оси проходят два приводных рольганга. Первый рольганг служит для подачи холодных заготовок к индукторам. Второй для передачи нагретых заготовок к ковочному агрегату.

Вдоль первого рольганга расположены: магазин для заготовок, подлежащих нагреву, упоры, останавливающие заготовки для подачи к тому или иному индуктору, и рычаги для подъема заготовок с рольганга.

Перед каждым индуктором находится наклонная площадка на несколько заготовок и толкатель. С противоположной стороны по оси индуктора установлены ролики для удаления нагретых заготовок и рычажные механизмы для сбрасывания последних на второй продольный рольганг.

Заготовки из магазина транспортируются первым рольгангом до одного из расположенных вдоль него упоров. Затем они поднимаются рычагами на загрузочные площадки индукторов и далее толкателями подаются в индукторы. Нагретые заготовки извлекаются из индукторов роликами и затем рычагами сбрасываются на второй рольганг. Работой нагревателя управляет реле времени посредством схемы автоматического управления.

Рис. 24. Схема карусельного нагревателя с шестью периодическими индукторами:
1 - индуктор; 2 - подъемный стол, на котором удерживается заготовка; 3 - механизм привода стола 6; 4 -приемный желоб для нагретых заготовок; 5 - механизм для установки на стол 2 заготовок, подлежащих нагреву; 6 - поворотный стол, на котором закреплены индукторы.

В карусельном нагревателе (рис. 24) шесть индукторов установлены вертикально на вращающемся барабане. Под индукторами на барабане закреплены подъемные столы. Через равные интервалы времени барабан поворачивается на одну шестую часть оборота.

В одном из шести положений, занимаемых каждым индуктором при поворотах барабана, стол под ним опускается. На стол устанавливается заготовка, подлежащая нагреву. Затем он поднимается и заготовки вводятся в индуктор.

При дальнейшем вращении барабана осуществляется нагрев заготовки. После того, как барабан сделает полный оборот, нагрев заканчивается, стол опускается и заготовка сбрасывается с него.

В вертикальных индукторах не требуется направляющих для удерживания заготовок. Последние могут быть установлены концентрично с отверстием в индукторе. Это способствует большей равномерности нагрева. Футеровка вертикальных индукторов лучше сохраняется, так как не подвергается механическим воздействиям.

Рис. 25. Схема нагревателя с периодическими индукторами, установленными на каретке:
1 - индуктор; 2 - магазин с заготовками; 3 - пневматический цилиндр, подающий заготовки в индуктор 1; 4 - каретка, на которой смонтированы индукторы 1; 5- механизм привода каретки, устанавливающей индукторы по очереди на линии толкателя; 6 - ролики, извлекающие заготовки из индукторов.

При горизонтальном расположении индукторов они могут быть установлены на тележке (рис. 25). По команде схемы автоматического управления тележка перемещается и устанавливает индукторы по очереди на ось толкателя. Толкатель подает заготовки в индукторы с наклонного магазина. Нагретые заготовки выталкиваются вновь поступающими в индуктор холодными заготовками.

Можно упростить механизацию подачи заготовок и вместе с тем не делать индукторы подвижными, если одну и ту же заготовку нагревать последовательно в нескольких индукторах.

Рис. 26. Схема нагревателя, в котором каждая заготовка нагревается последовательно в трех индукторах:
1 - магазин о заготовками; 2 - индуктор; 3 - ролики, извлекающие заготовку из индуктора; 4 - толкатель для подачи заготовок в индуктор.

На рис. 26 показана схема нагревателя, в которой нагрев заготовки осуществляется последовательно в трех индукторах. Благодаря тому, что все нагреваемые заготовки подаются в одно место и проходят один и тот же путь, схема автоматического управления и механизмы в данном случае проще, чем в нагревателе который приведен на рис. 23. Кроме того, при последовательном нагреве заготовки в нескольких индукторах можно легко осуществить режим нагрева с постоянной температурой на поверхности. Каждый из индукторов рассчитывается на соответствующую стадию нагрева.

5. Устройства для концевого и местного нагрева заготовок

Для нагрева концов заготовок могут быть применены некоторые из вышеописанных нагревателей, обычно используемых для нагрева заготовок по всей длине. Так для этой цели могут быть использованы нагреватели, показанные на рис. 22 и 24. Они должны быть настроены таким образом, чтобы в индуктор входила не вся заготовка, а только конец ее, подлежащий нагреву. Кроме того, имеются специальные нагреватели, предназначенные для нагрева концов.

Рис. 27. Схема нагревателя концов заготовок с щелевым индуктором:
1 - индуктор; 2 - магазин с заготовками; 3 - 6арабам, перемещающий заготовки сквозь индуктор.

Нагреватели с щелевыми индукторами (рис. 27) используются для нагрева концов заготовок во время их перемещения с помощью вращающегося барабана. Заготовки, подлежащие нагреву, находятся на наклонном лотке. Барабан вырезами, расположенными на его периферии, захватывает заготовки по одной с лотка и подает их концами в индуктор.

Рис. 28. Схема нагревателя для нагрева концов, длина которых в несколько раз больше их диаметра:
1 - индуктор; 2 - магазин с заготовками; 3 - заталкиватель заготовок; 4 - выталкиватель заготовок.

При нагреве концов длиной более 300-500 мм к.п.д. щелевых индукторов сильно падает, так как возрастают потери в П-образных перемычках на концах индуктора. При значительной длине нагреваемых концов суммарная длина перемычек может оказаться больше длины прямолинейных участков индуктора. Более рационально длинные концы нагревать в цилиндрических индукторах с прямоугольным, закругленным по концам, поперечным сечением (рис. 28). Заготовки подаются вдоль оси толкателем в верхний конец наклонно установленного индуктора. В процессе нагрева они скатываются вниз по футеровке индуктора. В нижнем конце индуктора они выдаются из него выталкивателем.

Рис. 29. Схема нагревателя для концов заготовок с щелевым кольцевым индуктором:
1 - механизм, поворачивающий барабан 3; 2 - магазин для заготовок; 3 - барабан с пазами для заготовок; 4 - индуктор; 5 - нагреваемые заготовки; 6 - извлекатель заготовок; 7 - цилиндр привода извлекателя 6; 8 - трубки, закрепленные на барабане 3, поддерживающие заготовки 5; 9 - толкатель, проталкивающий заготовки в трубки из пазов барабана 3.

Для нагрева длинных концов успешно используются также нагреватели с щелевыми индукторами кольцевого типа. В этих нагревателях (рис. 29) индуктор образован двумя концентрическими спиралями из медных трубок, из которых одна находится в другой. Спирали включаются таким образом, чтобы магнитные потоки, создаваемые токами в каждой из них, суммировались в пространстве между спиралями.

Тогда при достаточно большом диаметре спиралей и небольшом зазоре между ними в этом зазоре создается равномерное магнитное поле. Сюда вводятся нагреваемые концы заготовок. Последние удерживаются в отверстиях вращающегося барабана, установленного концентрично индуктору,

В некоторых случаях после нагрева конца заготовки и отрезки, полученных из конца поковок, оставшуюся часть необходимо снова нагреть для продолжения процесса ковки. Так осуществляется, например, ковка подшипниковых колец, мелких шестерен и т. п. изделий. При этом оставшаяся часть штанги, подлежащая повторному нагреву, на конце длиной 100- 200 мм имеет довольно высокую температуру, а остальная часть ее холодная. При подаче такой заготовки в индуктор для повторного нагрева трудно добиться равномерной температуры по длине.

Можно было бы изготовить индуктор с неравномерным шагом навивки таким образом, чтобы ослабить нагрев части заготовки, имеющей более высокую температуру. Однако температура оставшегося конца и длина нагретой части от нагрева к нагреву изменяются. Поэтому устойчивых результатов таким приемом практически добиться очень трудно.

В настоящее время предложено два способа преодоления вышеуказанного затруднения.

1. Применение двухчастотного нагрева. При нагреве током 50 гц заготовки диаметром меньше 100 мм не нагреваются выше точки магнитных превращений. Поэтому температура заготовки выравнивается и достигает 768° С. Затем включается ток более высокой частоты и осуществляется нагрев до ковочной температуры.

2. Нагрев на одной высокой частоте, но в индукторе в два раза более длинном, чем длина нагреваемой части. При первом нагреве заготовка вставляется в индуктор на половину его длины и конец ее нагревается только до 500-700° С. Затем она вводится полностью на длину индуктора. При второй стадии первого нагрева конец догревается до ковочной температуры, а остальная часть, находящаяся в индукторе, нагревается до 700-900° С.

В процессе отковки эта часть остывает до 500-700° С. При повторной подаче в индуктор заготовка вводится на всю длину его. Нагреваемый конец сразу оказывается в таких же условиях, как при второй стадии первого нагрева. Если при всех последующих нагревах заготовку вводить в индуктор также на полную длину его, удается осуществить постоянство режима нагрева.

Местный нагрев заготовок. Наиболее широко местный нагрев применяется в устройствах для гибки труб и прутков. Схема одного из устройств для гибки труб приведена на рис. 30. Нагрев и гибка осуществляются здесь непрерывно последовательным методом при движении заготовки сквозь индуктор. За индуктором установлен ролик, придающий трубе требуемую форму. Для продольного перемещения трубы служит каретка. На каретке установлено зажимное устройство, которое захватывает за конец трубы. Каретка перемещается ходовым винтом.

Рис. 30. Схема устройства для гибки труб:
1 - труба; 2 - каретка с зажимным устройством для подачи трубы вдоль оси; 3 - направляющие ролики; 4 - высокочастотный трансформатор; 5 - индуктор; 6 - нажимной ролик; 7 - механизм привода каретки 2.

В автоматической линии для изготовления зубьев бороны заготовки прямоугольного сечения длиной 500 мм опираются концами на параллельных направляющих (рис. 31). Две цепи Галля, проходящие рядом с направляющими, подают заготовки непрерывным потоком к прессу для разрезки их на две равные части. Для облегчения процесса резки узкие зоны в средней части должны быть нагреты до температуры 900-1000° С. Нагрев осуществляется индуктором с Т-образным железным сердечником. Индуктор установлен под серединой заготовок вдоль направления их перемещения. Одновременно нагревается 15 заготовок. Сердечник обеспечивает локализацию нагрева в пределах узкой зоны.

Рис. 31. Схема нагревателя для местного нагрева прямоугольных заготовок:
1 - нагреваемые заготовки; 2 - направляющие, поддерживающие конец заготовки; 3 - цепь, транспортирующая заготовки в плоскости перпендикулярно чертежу; 4 - индуктор; 5 - магнитопровод.

Зональный нагрев прутков применяется в кузнечных цехах для облегчения резки их на мерные заготовки и устранения трещинообразования при этой операции.

За последнее время на трубоэлектросварочных станах и станах, изготовляющих бесшовные трубы, вместо трубоотрезных станков при разделении труб на мерные куски нашли применение труборазрывные станки, в которых для облегчения и ускорения процесса разделения используется местный индукционный нагрев.

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.

Сущность индукционного нагрева

2014-06-26 00:00:00

Если по проводнику пропустить электрический ток, то вокруг него образуется магнитное поле. Интенсивность магнитного поля развивается под действием следующих факторов:

величины тока, проходящего по проводнику;
числа витков;
среды, в которой образуется магнитное поле.

Если через катушку проходит ток I, то будет создаваться магнитное поле напряженностью

Н = (0,4πIw): L эрстед, (1)

где L - длина средней силовой линии;
Ι - ток, проходящий по проводнику;
w - число витков катушки.

Формула (1) справедлива для равномерного поля.

Если среда вокруг или внутри проводника обладает плохой магнитной проводимостью (например, воздух), поле будет слабее; если среда является хорошим проводником (например, железо), то магнитное поле усиливается.

Если обозначить магнитный поток, создаваемый полем, через Ф, то индуктируемая им электродвижущая сила будет определяться уравнением

Е = - w dФ/dt ∙ 10^-8 в. (2)

Эффективное значение электродвижущей силы (э. д. с.) при частоте магнитного поля, равной f, и синусоидальной форме его определяется формулой

Е = 4,44wfФ ∙ 10^-8 в, (3)

где Ф - магнитный поток в гс;
       f - частота тока в гц;
       w - число витков катушки.

Если в катушку с числом витков w подать переменный ток и поместить в нее стальной предмет, то он будет пересекаться магнитным потоком и в нем будет наводиться э. д. с. Практически эту систему можно рассматривать, как трансформатор, где первичными витками надо считать катушку, а вторичным-находящийся в ней стальной предмет. В этом вторичном витке под действием наведенной э. д. с. возникнут токи, и металлический предмет, обтекаемый этими токами, будет нагреваться.

Электромагнитное поле, создаваемое витком катушки при индукционном нагреве, изображено на фиг. 1.

Фиг. 1. Электромагнитное поле (1), создаваемое витком индуктора (2).

Перемагничивание стали связано с потерями на гистерезис. Эта энергия идет на преодоление остаточного магнетизма. Потери в металле от явления гистерезиса определяются формулой

Р₂= VfŋB_max^1,6 ∙ 10^-7 вт, (4)

где f - частота тока;
      B_max - максимальное значение индукции в нагреваемом металле;
      ŋ - опытная постоянная, колеблющаяся в пределах от 0,01 до 0,05;
      V - объем заготовки.

В процентном отношении энергия гистерезисных потерь невелика и проявляется при нагреве лишь до потери магнитных свойств стали.

Изменяющийся магнитный поток, проходящий через сплошную стальную заготовку, наводит в ней электродвижущую силу, обусловливающую так называемые вихревые токи. Эти токи циркулируют в металле и нагревают его. Количество энергии, поглощаемой нагреваемым телом, пропорционально квадратам: частоты, магнитной индукции и объему заготовки, что видно из следующей формулы:

P_вихр= 1/2p К²f²В²V ∙ 10^-16 вт, (5)

где р - удельное сопротивление стали, отнесенное к 1 cм² металла;
       f - частота тока в гц;
       В - магнитная индукция;
      V - объем заготовки в см³;
       К - коэффициент, зависящий от материала и размеров заготовки.

Благодаря намагничивающему действию самих вихревых токов, текущих по концентрическим окружностям изделия, магнитная индукция к середине цилиндра уменьшается. Максимум магнитной индукции смещается к периферии.

При больших частотах распределение магнитной индукции неравномерно по сечению и уменьшение ее к середине сказывается резче, чем при малых частотах.

Применение токов высокой частоты в значительной степени облегчает возможность концентрации передаваемой энергии в нагреваемый предмет. Определение «высокая частота» следует рассматривать не с точки зрения ее абсолютного значения, а в связи с размерами проводника и нагреваемого тела, с которым в данном конкретном случае связан интересующий нас ток. Так, например, если взять заготовку диаметром 20 мм, то частота машинного генератора 2500 гц должна считаться для ее нагрева низкой, а для диаметра 60 мм эта же частота будет считаться высокой.

Рассматривая нагрев заготовок индукционным способом, необходимо ознакомиться с некоторыми особенностями, связанными с прохождением токов высокой частоты по проводникам. К этим особенностям следует отнести: поверхностный эффект, явление близости и кольцевой эффект.

При прохождении переменного тока распределение его по сечению проводника, особенно при большом сечении, будет неодинаково. Эта неодинаковость тем больше, чем выше частота. Такое явление происходит потому, что внутри проводника возникает переменное магнитное поле, вызывающее, в свою очередь, противоэлектродвижущую силу. В результате ток не распределяется равномерно по поперечному сечению проводника, а как бы вытесняется к поверхности проводника и плотность тока будет разной для разных точек сечения. Чем выше частота, тем меньше будет плотность тока в центре сечения и тем большая часть тока будет протекать по сравнительно тонкому поверхностному слою. Отсюда это явление носит название поверхностного или кожного эффекта (скин-эффекта). Наличием поверхностного эффекта определяется глубина проникновения тока в металл. В. П. Вологдин дает следующую таблицу расчетной глубины проникновения ϭ.

Таблица 1. Глубина проникновения тока в металл (в см) при разной частоте

Частота,

гц

Красная медь

при 15° С

Сталь 45

при 15° С

Сталь 45

при 850° С

2 000

10 000

300 000

0,15

0,07

0,012

0,22

0,05

0,02

0,005

9,14

1,46

0,65

0,12

Поверхностный эффект в значительной степени увеличивает сопротивление проводника и вместо общепринятой зависимости сопротивления проводника от сечения

R = p l/q ом,

где R - общее сопротивление проводника;
       p - удельное сопротивление;
       l - длина;
       q - сечение,

сопротивление будет зависеть еще от периметра и частоты.

Если взять два проводника, обтекаемых током высокой частоты, и расположить их один около другого, то взаимное влияние полей от токов этих проводников - «явление близости» - будет обусловливать неравномерное распределение плотности тока в проводниках создавая как бы в одной части проводников дополнительное сопротивление. Направленность тока в проводниках играет в этом случае большую роль. На фиг. 2 указано примерное распределение плотности тока в двух рядом расположенных проводниках, при одинаковом направлении тока в обоих проводниках (б) и при разных направлениях тока в этих же проводниках (а).

Фиг. 2. Распределение плотности тока в проводниках, расположенных рядом:
а - ток разного направления в обоих проводниках; б - ток одинакового направления в обоих проводниках.

Если провод, обтекаемый токами высокой частоты, свернуть в кольцо или спираль, то плотность тока внутри кольца увеличивается, что также приводит к неравномерности распределения тока по сечению проводника. Свертывание проводника в кольцо увеличивает плотность тока на частях провода, расположенных ближе к центру кольца.

Это явление - кольцевой эффект - представляет не меньший практический интерес, чем явление близости, и поэтому его следует учитывать. В случае соленоидных индукторов для нагрева цилиндрических тел наличие кольцевого эффекта явно видно на фиг. 1.

Источник: "Практика индукционного нагрева в кузнечном производстве" Беляев Н.В.