Достижение одинаковой температуры детали при индукционном нагреве

 

 Системы индукционного нагрева получают все более широкое распространение прутков и стержней. Доктор Валерий Руднев, Курт Швайгерт, Эдвард Рылицки и Майк Ругг докладывают о технологии фирмы Inductoheat.

 

 Газовые печи традиционно использовались из-за низкой стоимости эксплуатации, но металлообработчики постоянно искали пути их интеграции в технологическую линию. Современные технологии производства цилиндрических, прямоугольных и имеющих сложное поперечное сечение прутков, болванок, блюмов, слябов, а также пластин имеют комбинированные этапы при литье, повторном нагреве и формообразовании нагретого металла в непрерывных технологических линиях.

 Цель повторного нагрева заключается в обеспечении для слябов или прутков при прокатке или на стадии формообразования требуемой однородной температуры по диаметру, толщине и длине. Исходная температура заготовок перед повторным нагревом часто равна температуре окружающей среды, но иногда исходная температура неоднородна, так как прутки, блюмы или слябы имеют разную температуру, так как они поступают на термообработку с предыдущей технологической операции и температура не успевает выравниваться.

 Традиционные газовые печи имеют длинные нагревательные туннели для достижения однородной температуры, но это технология приводит к плохому качеству поверхности, обычно из-за трещин, обезуглероживания, окисления или роста зерна. Газовый нагрев также неблагоприятно влияет на окружающую среду.

 Индукционный нагрев становится популярным методом повторного нагрева прутков, блюмов и слябов как магнитных, так и немагнитных металлов. Inductoheat Group обеспечивает индукционные нагреватели для прутков, болванок и слябов мощностью от 100 кВт до 10 МВт.

 

 Температурный профиль

 Индукционная система нагрева прутков или болванок может состоять из одного или нескольких индукторов, выстроенных в поточную линию. По мере того как пруток перемещается по поточной линии, возникают проблемы, вызванные тем, что получаемый температурный профиль отличается от требуемого. Сердцевина прутка имеет тенденцию к более медленному нагреву по сравнению с его поверхностью, при этом торцевые области нагреваются быстрей, чем центральная часть. Это вызывается поверхностным эффектом, в соответствии с которым 86% мощности, подводимой к нагреваемой заготовке, выделяется в поверхностном слое,  что определяется глубиной проникновения тока и является функцией частоты и свойств материала.

 Индуцированный ток уменьшается от поверхности прутка по направлению к внутренним областям. Алюминиевые и медные прутки обычно достигают однородной температуры легче, чем заготовки из материалов с плохой теплопроводностью, таких как нержавеющая сталь, титан и углеродистая сталь. Число требуемых индукторов, их конструкция и распределение мощности между ними, выбор частоты и особенности управления должны быть точно рассчитаны.

 Продольные и поперечные трещины

 Продольные и поперечные трещины обычно возникают при использовании индукционной системы для нагрева прутков из стали с высоким содержанием углерода (например, AISI 1060...1090). Эти трещины появляются в результате термических напряжений (тепловых ударов) и низкой теплопроводности сталей с высоким содержанием углерода. Термические напряжения вызываются большими перепадами температур и большими градиентами.

 Опыт показывает, что многие из этих трещин возникают во время первого и второго этапов нагрева, когда внутренние области прутка еще недостаточно пластичны. Возможность точно предсказать температурный градиент «поверхность – сердцевина» на различных этапах нагрева позволяет производителю выбирать соответствующие параметры и исключать опасные температурные градиенты, которые могут привести к развитию трещин. Это подразумевает, что состояние металла до нагрева (остаточные напряжения, существование лакун, микро-трещин и т.д.) может предопределять развитие трещин.

 

 Температурный профиль «нос – хвост» («конец предыдущей – начало последующей детали»)

 В большинстве случаев, когда воздушный зазор между предыдущим и следующим прутками 300-600 мм или более, этот зазор может создать недопустимую температурную неоднородность по длине прутка. Для достижения однородности температуры при нагреве деталей большой длины необходимо управлять электромагнитными краевыми эффектами.

 Искажения магнитного поля и распределение плотности мощности по длине прутка могут привести к серьезным проблемам в процессе формообразования. В случае обработки немагнитного металла в торцевых частях прутка зачастую выделяется избыток мощности. Он зависит от воздушного зазора, частоты, плотности мощности, электрического сопротивления металла, а также геометрии индуктора и прутка.

 Краевой эффект в ферромагнитных прутках возникает из-за эффекта размагничивания, вызываемого вихревыми токами и эффекта намагничивания, вызываемого поверхностными и объемными токами. Первый фактор приводит к увеличению мощности, выделяемой в торцевых областях прутка, а второй фактор – к уменьшению мощности в этих областях, что в совокупности приводит к недогреву или перегреву концов длинного проводника. Недогрев более характерен для сталей с высокой магнитной проницаемостью, которые нагреваются на относительно низких или средних мощностях.

 Это распределение непрерывно меняется по мере того как пруток перемещается через индуктор и плотность мощности становится больше. В некоторых случаях распределение мощности может быть «волнообразным» это приводит к избытку мощности в торцевых областях прутка, но вместе с этим отмечается недостаток мощности в областях, смежных с торцевыми по сравнению с мощностью, выделяемой в центральной части прутка.

 

 Нецилиндрические заготовки

 Прутки и болванки нецилиндрической формы имеют искажение электромагнитного поля в торцевых областях. Это явление известно как электромагнитный поперечный краевой эффект и приводит к неоднородности профиля температуры по поперечному сечению прутка. Этот эффект также обеспечивает распределение температуры по поперечному сечению нагреваемой детали.

 Если поверхностный эффект ярко выражен, ток и плотность мощности приблизительно одинаковы по ширине прутка за исключением торцевых областей. Если поверхностный эффект выражен не ярко, торцевые области будут недогреваться и линии тока в поперечном сечении будут не согласовываться с максимально возможным контуром протекания тока, близким к периметру заготовки. В этом случае наведенные токи будут замыкаться по локальным контурам, не достигая торцевых областей. Это приводит к тому, что плотность мощности и выделение тепла в этих областях будут меньше, чем соответствующие значения в центральной части стержня или сляба.

 

 Источники питания

 Источник питания является важным элементом системы индукционного нагрева. Он определяет основные параметры этой системы, включая надежность, простоту настройки, компактность, гибкость системы, ее энергетическую эффективность и стоимость. Существует большое количество типов и моделей источников питания для различных процессов индукционного нагрева, которые различаются по частоте, мощности, количеству индукторов и другим параметрам, таким как напряжение, ток и коэффициент мощности.

 До 1970 года процессы индукционного нагрева прутков и стержней проводились в основном на звуковых частотах с применением машинных генераторов. Быстродействующие тиристоры с рабочими токами до 300 ампер стали доступны в конце 60-ых годов. Это сделало возможным изготовление полупроводниковых источников питания. Машинные генераторы постепенно были вытеснены. Аналогичные процессы происходили как на звуковых, так и на радио частотах. Новые силовые элементы, разработанные в 1980-ые годы, стали использоваться в новом поколении источников питания для индукционного нагрева.

 К этим элементам относились силовые полупроводники, конденсаторы и трансформаторы. Стали доступны силовые транзисторы MOSFET и IGBT, обеспечивающие коммутацию больших мощностей, высокие скорости переключения и малые потери.

 В отличие от транзисторов, в настоящее время тиристоры могут выдерживать большие аварийные токи. Однако, транзисторы могут выключаться сразу после того, как определена аварийная ситуация и это позволяет прервать аварийный ток до того как он достигнет недопустимой величины. Системы управления в транзисторных источниках питания должны обладать быстрой и надежной системой обнаружения аварий.

 Транзисторные источники питания особенно экономически эффективны на частотах больше 10 кГц. Они существенно более компактны на этих частотах, чем аналогичные по параметрам тиристорные источники питания.

 Это особенно важно для передачи максимально возможной мощности от источника питания к нагреваемому стержню или болванке с минимальными затратами. Индуктор часто проектируется для обеспечения требуемого нагрева прутка или болванки без учета того, какой источник питания используется. Это может усложнить согласование источника питания с индукционной установкой  и зачастую приводит к невозможности отбора номинальной мощности от источника питания в случае, если нормальное функционирование индуктора требует напряжений или токов, которые выходят за значение, допустимое для источника питания.

 Оптимальное проектирование современных систем индукционного нагрева требует учета всех физических особенностей конкретного индукционного нагревателя, индуктора и элементов сопряжения «источник питания» - «нагревательная установка».

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели