КПД и температура при повторном индукционном нагреве прутков, полос и слябов

 

Валерий Руднев, Дон Лавлесс, Курт Швайгерт, Питер Диксон и Майк Ругг

Inductoheat Inc., Madison Heights, MI

 

 Когда проектируется современное оборудование для индукционного нагрева в технологической линии, требование по однородности температуры повторно нагреваемых изделий является только одной из целей. Дополнительные критерии при проектировании включают стоимость, максимальную производительность, минимальные потери металла (окалина, окисление, пережоги, обезуглероживание и т.д.) и обеспечение компактности системы, что обеспечивает высокий электрический КПД. Другие важные факторы включают гарантию качества, экологичность, возможность автоматизации, надежность и ремонтопригодность оборудования и стоимость. В этой статье описываются некоторые из этих критериев.

 

 Современные технологии производства изделий из металла, характерной особенностью которых является то, что их длина существенно превосходит поперечные размеры (например, цилиндрические и прямоугольные прутки и стержни), включают три стадии производства – отливку, повторный нагрев и прокат, которые выполняются последовательно на одной технологической линии. Целью повторного нагрева является обеспечение прутку или стержню на стадии проката требуемого температурного профиля по толщине, диаметру и длине. В некоторых случаях, начальная температура изделия перед повторным нагревом равна температуре окружающей среды. В других случаях, начальная температура не является однородной из-за различных условий охлаждения прутка или стержня при их выходе из литейной машины.

 В прошлом, обычно использовались газовые печи. Это определялось низкой стоимостью газа. В последние годы, однако, при производстве прутков и стержней предпочтение стало отдаваться системам индукционного нагрева. Газовые печи требовали очень длинного нагревательного тоннеля для достижения требуемой однородности температуры. Длина тоннеля представляла собой серьезную производственную проблему из-за ограниченного пространства между литейной машиной и прокатным станом. Также, газовые печи давали плохое качество поверхности прутка (из-за окалины, обезуглероживания и т.д.) и существенно загрязняли окружающую среду. Эти факторы в результате привели к популяризации индукционного нагрева при повторном нагреве прутков и стержней, выполненных как из магнитного, так и из немагнитного материала [1].

 

 Температурные профили «Поверхность – сердцевина»

 

 В зависимости от параметров процесса, индукционная система нагрева прутков и стержней из одного или нескольких последовательных индукторов. Проблема, возникающая при индукционном нагреве, является результатом того, что температурный профиль «поверхность – сердцевина» изменяется по мере продвижения прутка или стержня через индукторы. Поскольку сердцевина прутка нагревается исключительно за счет теплопроводности, она нагревается медленнее, чем поверхностные слои. Кроме этого, начала и концы деталей нагреваются быстрее, чем их центральная часть [2].

 Главная причина недостатка тепла в сердцевине – так называемый поверхностный эффект.  Этот эффект связан с глубиной проникновения  тока (поверхностный слой, в котором выделяется 86% индуцированной мощности) и зависит от свойств металла и частоты (см. таблицу 1). Обычно легче обеспечить однородность температурного профиля «поверхность – сердцевина» для металлов с высокой теплопроводностью, таких как алюминиевые или медные стержни. Металлы с плохой теплопроводностью, такие как нержавеющая сталь, титан и углеродистая сталь, требуют большой осторожности при обеспечении однородности температур, включая тщательное определение числа индукторов, их конструкции, распределения мощности вдоль линии нагрева, управляющих воздействий и выбора частоты.

 

Таблица 1. Глубина проникновения тока в горячую сталь как функция частоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 Использование компьютерного моделирования

 При совмещении использования специализированного программного обеспечения для компьютерного моделирования с инженерными основами индукционного нагрева, современные специалисты могут за несколько часов произвести анализ технологической проблемы, что при использовании других методов требует нескольких дней или даже недель. Компьютерные модели могут предсказать, как различные параметры воздействуют на переходные и конечные условия нагрева прутка и что должно быть реализовано при разработке индукционной нагревательной установки для максимальной эффективности технологического процесса и гарантии получения желаемых термических условий.

 На рисунке 1 показаны результаты переходных и конечных условий нагрева трехдюймового прутка из углеродистой стали и профиль температуры «поверхность – сердцевина» вдоль линии нагрева. Линия состоит из восьми индукторов диаметром 6 дюймов, с суммарной длиной линии нагрева – 40 дюймов и зазорами 12 дюймов между индукторами. Индуктора работают на частоте в 1 кГц с производительностью 2,56 дюйма в секунду. Толщина огнеупорного слоя – 0,5 дюйма.

Рисунок 1. Термический профиль стального прутка при пропускании его через восьмииндукторную индукционную нагревательную линию

 

 

 На рисунке 2 приведены типичные профили температур и плотностей мощности (источники тепла), распределенные по радиусу прутка после индукторов 1, 3 и 7, и 12 секунд перемещения прутка на открытом воздухе (масштабы профилей плотности мощности различны для различных индукторов). Профили температуры не согласуются с профилем источника тепла из-за теплопроводности металла [1].

Рисунок 2. Профили плотности мощности и температуры прутка при различных позициях по линии индукционного нагрева

 

 Температурные профили «нос – хвост» («конец предыдущей – начало последующей детали»)

 «Поверхность – сердцевина» - только один компонент тепловых условий, задаваемых покупателем. Другим компонентом является температурный профиль «нос – хвост». Когда прутки перемещаются по линии нагрева вплотную один к другому, поддержание однородной температуры «нос – хвост» не является проблемой. Однако, в большинстве случаев, между стержнями является воздушный зазор от пяти до десяти дюймов. Существование этого воздушного зазора может создавать неприемлемую неоднородность температуры по длине стержня.

 Распределение электромагнитного поля приводит к изменению выделения мощности в области концов стержня. Это распределение приводит к электромагнитным концевым эффектам. В случае немагнитных металлов (таких как некоторые виды нержавеющих сталей, алюминий, титан или углеродистая сталь, нагретая выше точки Кюри) на концах прутка выделяется избыточная по отношению к его центральной части мощность [1].

 Для ферромагнитных прутков даже внутри длинного индуктора концы могут быть недогреты или перегреты [3] и задача получения температурного профиля «нос – хвост» обычно более сложная по сравнению с минимизацией температурного градиента «поверхность – сердцевина». Изучение показывает, что недостаток мощности, вызываемый перегревом области конца, будет явным для сталей с высокой магнитной проницаемостью, нагреваемых с относительно низкой или средней плотностью мощности. В некоторых случаях имеет место уникальное волнообразное распределение мощности по длине прутка. В этом случае, будет иметь место локальный излишек мощности на конце прутка, однако область, смежная с концом, будет испытывать недостаток мощности по сравнению с мощностью, выделяемой в центральной части прутка.

 

 Энергетическая эффективность и стоимость

 Производители индукционного оборудования обращают специальное внимание на получение максимальной энергетической эффективности и минимизацию стоимости оборудования. Высокоэффективный полупроводниковый источник питания, индуктор с низкими потерями и минимальным зазором между внутренним диаметром катушки и нагреваемой деталью, эффективный огнеупорный слой и короткие токоподводы являются факторами, которые позволяют минимизировать потери энергии.

 Решая, прутки какого поперечного сечения будут нагреваться в рассматриваемой системе индукторов, необходимо учесть некоторое количество факторов. Эффективность нагрева в индукторе более всего зависит от коэффициента заполнения (поверхность заготовки, подвергающейся нагреву к соответствующей внутренней поверхности катушки индуктора). Если коэффициент заполнения уменьшается, КПД падает и растут затраты на потребляемую для нагрева энергию. С другой стороны, если Вы приобретете комплект индукторов с более высоким коэффициентом заполнения, то экономия расходов на электроэнергию покроет затраты на приобретение комплекта индукторов. Существуют также производственные потери из-за времени, необходимого для замены индукторов нагревательной линии, хотя применение конструктивных решений, позволяющих быструю замену, может минимизировать эти потери времени.

 Анализ ассортимента нагреваемых деталей необходим для определения того, как часто размеры прутка могут меняться, и как долго будет нагреваться каждый типоразмер. Ответы на эти вопросы помогают потребителю определить размеры второго набора индукторов. Заметим, что ниже точки Кюри эффективность нагрева не так сильно зависит от размера прутка, поэтому заслуживает внимание замена только тех индукторов, в которых производится нагрев прутков до температуры выше точки Кюри.

 Другим соображением, которое используется для повышения эффективности нагревательной системы, является применение двухчастотной концепции нагрева. При этом используется низкая частота на начальной стадии нагрева, когда пруток сохраняет свои магнитные свойства, а затем, когда он становится немагнитным,  используется повышенная частота. Концепция двух частот также может эффективно применяться для исключения нежелательной неравномерности температур по поперечному сечению нецилиндрического прутка/стержня.

 На рисунке 3 показана нагревательная линия для прутков из углеродистой стали. Прутки имеют длину 20 футов и различные диаметры (1,5 и 2 дюйма). Обеспечивается производительность 16500 фунтов/час. Система состоит из 9 индукторов. На начальных стадиях нагрева используется частота 1 кГц. Окончательный нагрев обеспечивается полупроводниковым источником питания модели SP5 на мощности 750 кВт и частоте 3 кГц. Прутки загружаются с наружного роликового транспортера, располагаются на накопительном столе и затем подаются вплотную один к другому в систему питателя. Прутки подаются с определенным темпом и проходят через индукционную нагревательную линию. Система подачи прутков также включает в себя систему реверсирования и разгрузочный стол, используемый в случае остановки пресса.

Рисунок 3. Линия индукционного нагрева прутков

 

 Прямоугольные и трапецеидальные сечения

 Если пруток или стержень имеют не цилиндрическую форму имеет место искажение электромагнитного поля в областях около краев [3, 4]. Известное как поперечный краевой эффект, это явление создает неоднородность температуры профиля по поперечному сечению прямоугольного и трапецеидального прутка (рисунок 4). Этот эффект также играет важную роль в получении распределения температуры в слябах, блюмах или на поверхности пластин. На рисунке 5 показано распределение наведенных вихревых токов в поперечном сечении прямоугольного прутка с явно выраженным поверхностным эффектом (d/δ=10, где толщина прутка d деленная на глубину проникновения вихревых токов δ равна 10) и там, где поверхностный эффект явно не выражен (d/δ=3).

Рисунок 4. Прямоугольный пруток на выходе из линии индукционного нагрева

 

Рисунок 5. Распределение вихревых токов в поперечном сечении прямоугольного прутка (выраженный поверхностный эффект при d/δ=10; слабо выраженный поверхностный эффект при d/δ=3)

 

 Если поверхностный эффект явный (d/δ>4), то плотности тока и мощности приблизительно одинаковы по всей ширине прутка за исключением краевой области. Краевая область, где имеет место искажение индуцированной мощности, обычно имеет длину (1,5 – 4)*δ. Хотя каждая тепловая потеря на излучение и конвекцию в краевой области больше чем тепловая потеря в центральной части (рисунок 5), краевые области могут быть перегреты по сравнению с центральной частью. Это происходит потому, что в центральной части источник тепла проникает с двух сторон (двух поверхностей), а в краевой области – с трех сторон (двух поверхностей и торца). Концевой перегрев обычно происходит, когда используется относительно высокая частота и когда углеродистая сталь нагревается до температуры ниже точки Кюри или когда нагреваются металлы с высокой электропроводностью.

 Если поверхностный эффект выражен неявно (d/δ<3), тогда имеет место перегрев концевых областей. В этом случае, путь токов в поперечном сечении прутка не совпадает с контуром, и большая часть индуцированных токов замыкается раньше, не достигая концевой области (рисунок 5). Как результат плотность мощности и источники тепла в краевых областях меньше, чем соответствующие источники в центральных частях прутка или сляба.

 

 Исследование проблемы

 Признавая преимущества индукционного линейного нагрева, один из крупнейших мировых производителей алюминия обратился к индукционной технологии для повторного нагрева алюминиевых прутков после отливки. Отлитый пруток имеет трапецеидальную форму поперечного сечения и перемещается со скоростью 42 фута в минуту. Индукционная система повторного нагрева использует сетевую частоту, что не требует применения специального источника питания (что снижает стоимость оборудования). Однако индукционный нагрев на сетевой частоте зачастую не удовлетворяет имеющимся производственным требованиям из-за ограничения управления температурой, производственных шумов и невозможности обеспечить тепловую однородность в деталях с нецилиндрическими сечениями.

 После проведенного компьютерного моделирования, анализ эффективности показал, что среднечастотный полупроводниковый источник питания с индуктором 700 Гц/750 кВт обеспечит оптимальную комбинацию производительность/КПД. В результате была спроектирована компактная система повторного нагрева, использующая минимальную производственную площадь приблизительно 60 дюймов (рисунок 6) с КПД, значительно превосходящим таковой для систем, работающих на сетевой частоте. Другим важным преимуществом была однородность температурного профиля для трапецеидальных алюминиевых прутков и возможность управления повторным нагревом как зависимости от типа сплава, геометрии прутка и его начальной температуры перед повторным нагревом.

 

 Полупроводниковые источники питания

 Очень важным аспектом индукционного нагрева, который иногда пропускается на начальных стадиях проектирования, является способность успешно выделять в бруске или стержне максимальную мощность от источника питания с минимальной стоимостью. Достаточно часто индуктор проектируется для достижения термических условий, требуемых для прутка/стержня, безотносительно к тому, какой источник питания будет использоваться. Это может привести к нежелательной ситуации, когда выходные характеристики источника питания не согласуются со входными характеристиками индуктора. Другими словами, источник питания не будет в состоянии номинальную мощность, если индуктор требует больших напряжений или токов, чем те, которые источник питания может обеспечить. Транзисторные источники питания особенно эффективны на частотах 10 кГц и выше. На частотах менее 3 кГц доминируют тиристорные источники питания, особенно для больших мощностей.

 Существует много факторов, влияющих на согласование рабочих характеристик источника питания и индуктора. Оптимальное проектирование современных систем индукционного нагрева должно принимать во внимание не только особенности автономного стандартного нагревателя, но и совокупность индуктора, элементов согласования и инвертора.

Частота, кГц

Глубина, мм

Глубина, дюймов

0,06

72

2,38

0,5

25,1

0,99

1

17,7

0,7

10

5,6

0,22

30

3,2

0,13

200

1,25

0,05

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