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

 Для быстрой навигации по статье нажмите ссылку:

→ 1. Режимы нагрева

→ 2. Время нагрева

→ 3. Время выравнивания температуры по сечению

→ 4. Нагреватели для мерных заготовок

→ 5. Нагреватели периодические. Серия КИН-П

→ 6. Нагреватели специализированные

→ 7. Индукторы для сквозного нагрева

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.

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.

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.

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.

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.

Тогда

Время нагрева при скоростном режиме может быть подсчитано по формуле

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.

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.

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.

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.

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.

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

Каждый нагреватель состоит:

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.

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.

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.

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

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).

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

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.

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

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.

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

6. Нагреватели специализированные

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

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.

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.

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.

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.\

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;

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.

Назад