Не хотите ли нагреть металлический пруток равномерно до одинаковой температуры?

 

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

 

 

Существующий уровень индукционного нагрева при  правильном использовании позволяет сделать это !

 

Цель нагрева прутков цилиндрической или прямоугольной формы перед ковкой: обеспечить требуемую, чаще всего одинаковую температуру как по диаметру/толщине, так и по длине стержня.

Обычно, раньше для этих целей из-за низкой цены на газ использовались газовые печи. Однако, в последние годы, приоритеты отдаются системам индукционного нагрева.

Во-первых, газовые печи требуют применения камеры нагрева очень большой длины для получения одинаковой температуры нагрева (с приемлемым допуском по отклонениям), что является неэффективным при размещении в кузнечном цехе. Во-вторых, может быть получено плохое качество поверхности стержня по обезуглероживанию, окислению, крупнозернистости структуры и т.д. при неоднородности температуры. Наконец, газовый нагрев наносит существенный экологический урон.

Перечисленные неблагоприятные факторы привели к тому, что в настоящее время индукционный нагрев является наиболее популярным для стержней, как из магнитных, так и из немагнитных металлов. При этом мощность применяемых индукционных установок изменяется в диапазоне от 100 кВт до 10МВт. Успешное применение индукционных систем основывается на глубоком понимании особенностей процессов,  конструктивном обеспечении требуемого качества нагрева и точности разработки, которые позволяют достигать экономически обоснованных компромиссов между часто противоречивыми требованиями процесса нагрева и специфическими особенностями конструкции.

При разработке современной системы индукционного нагрева требование к постоянству температуры является только одной из достигаемых целей. Кроме этого при проектировании учитываются такие требования как максимальная производительность, поддержание температуры металла в требуемом диапазоне, ограничение окисления, выгорание, обезуглероживание и т.д. Также требуется обеспечение компактности всей установки и высокого электрического КПД. Другие важные факторы включают гарантию качества, эргономичность, способность к автоматизации, надежность и ремонтопригодность оборудования. И, наконец, последний критерий по списку, но не по значимости - стоимость системы индукционного нагрева. Ниже приведены способы оптимизации перечисленных критериев.

Современный индукционный нагреватель стержней. (Фото любезно предоставлено фирмой Inductoheat Inc.)

 

Распределение температуры от поверхности к сердцевине стержня

В зависимости от требуемых параметров процесса, система индукционного нагрева стержней может состоять из одного или нескольких линейно расположенных индукторов. Требования к индукционному нагреву сводятся к поддержанию необходимого распределения температуры как от поверхности к сердцевине, так и по длине стержня. Сердцевина стержня нагревается медленнее, чем ее поверхность. В то же время, начало и конец стержня имеют тенденцию нагреваться быстрее, чем центр стержня.

Главной причиной, определяющей различные скорости нагрева поверхности и сердцевины стержня, является поверхностный эффект. Основными факторами, влияющими на степень вытеснения вихревого тока на поверхность нагреваемого тела, являются свойства металла и частота. Благодаря поверхностному эффекту 86% энергии, передаваемой в нагреваемое тело, индуцируется в поверхностный слой, толщина которого определяется глубиной проникновения. Индуцированный ток уменьшается при распространении от поверхности к внутренним областям нагреваемого тела. Сердцевина стержня нагревается благодаря явлению теплопроводности. Гораздо легче обеспечить равенство температур поверхности и сердцевины для стержней, изготовленных из металла с высокой теплопроводностью (таких как алюминий или медь). Металлы с низкой теплопроводностью (нержавеющая сталь, титан, стали с высоким содержанием углерода) требуют специальных мер для обеспечения необходимого распределения температуры от поверхности к сердцевине: тщательное определение количества индукторов, их конструктивных особенностей, распределение энергии по линии нагрева, выбор частоты и специального управления.

Большинство производителей индукционных установок пользуются расчетными методами для определения параметров нагрева.

В качестве примера, демонстрирующего применение расчетных методов, на рисунках 1 и 2 показаны результаты текущих и конечных условий нагрева трехдюймового стержня из углеродистой стали и распределение температур от поверхности к сердцевине этого стержня вдоль линий нагрева. При этом параметры индуктора следующие:

Внутренний диаметр – 6 дюймов (152,4 мм);

Толщина огнеупорной прокладки – 0,5 дюйма (12,7 мм);

Длина индуктора – 40 дюймов (1016 мм);

Число витков – 8;

Расстояние между витками – 12 дюймов (304,8 мм);

Частота – 1 кГц;

Скорость перемещения стержня – 2,56 дюйма/сек (65 мм/сек).

 

Рисунок 1. Распределение температур при индукционном нагреве стержня

 

Рисунок 2. Плотность энергии и распределение температур на выходе из индукторов при индукционном нагреве стержня

 

Индукционный нагрев магнитных материалов, таких как углеродистая сталь, характеризуется рядом специфических эффектов по сравнению с немагнитными металлами.

Для магнитных металлов цикл нагрева обычно подразделяется на три стадии. На первой стадии подлежащая нагреву заготовка обладает магнитными свойствами и при этом реализуется поверхностный эффект. Вся энергия, индуцируемая в полосу, концентрируется в узком поверхностном слое, который обычно не превосходит 0,25 дюйма для частоты 500 Гц и выше. Благодаря относительно низкой температуре на этой стадии, потери тепла излучением с поверхности стержня относительно малы. Это приводит к быстрому увеличению температуры на поверхности при неизменной температуре сердцевины. Интенсивный нагрев поверхности приводит к существенному перепаду температур поверхность-сердцевина. На рисунке 2 показаны типичные распределения температуры и плотности энергии (источник тепла) в зависимости от радиуса после индуктора №1 – распределение плотности энергии отличается после нагрева различными индукторами. Как показано на рисунке 2, распределение температуры не совпадает с распределением, получаемым от источника тепла из-за теплопроводности, которая обеспечивает распространение тепла от поверхности к сердцевине.

В течение первой стадии КПД индуктора достаточно высок – обычно составляет 80% или выше – и продолжает возрастать с ростом электрического сопротивления стали, определяемым ростом температуры.

До тех пор пока температура поверхности остается ниже точки Кюри, магнитная проницаемость остается высокой и ее небольшое уменьшение не влияет на возрастание электрической эффективности нагрева. Через короткое время КПД индуктора достигает своей максимальной величины и после этого начинает снижаться.

Вторая стадия начинается, когда температура поверхности достигает точки Кюри – т.е. после прохождения индуктора 3 (рисунок 2). После этого интенсивность нагрева заметно снижается. Это происходит благодаря следующему:

- Поверхность стали теряет магнитные свойства и относительная магнитная проницаемость падает до 1. В результате этого плотность энергии, индуцируемой в стержень, также падает.

- Удельная теплоемкость имеет свое максимальное значение – пик при температуре возле точки Кюри. Значение удельной теплоемкости определяет количество энергии, которое должно быть передано металлу для достижения требуемой температуры.

На этой стадии электрическое сопротивление углеродистой стали возрастает приблизительно от двух до трех раз по сравнению с величиной на начальной стадии нагрева. В то же время, уменьшение магнитной проницаемости гораздо более существенно – 30 раз и более. Оба фактора вызывают увеличение глубины проникновения тока от 6 до 12 раз. Существенная часть энергии при этом индуцируется во внешнем слое стержня. Поверхность стержня становится немагнитной, в то время как внутренние слои сохраняют магнитные свойства.

Индуцируемые вихревые токи и распределение плотности энергии по радиусу стержня имеют уникальную волнообразную форму. На рисунке 2 показано, что после прохождения индуктора № 3 максимальная плотность энергии локализуется на поверхности. Плотность энергии падает по направлению к сердцевине. Однако, при достижении определенной глубины от поверхности, плотность энергии опять начинает возрастать. Это происходит благодаря тому,  что магнитные свойства стали теряются по направлению от поверхности внутрь.

Вторая стадия продолжается до тех пор, пока толщина немагнитного слоя меньше чем глубина проникновения в нагретой стали. В конце концов, толщина поверхностного слоя с немагнитными свойствами достигает глубины проникновения в нагретой стали и после этого явление волнообразного распределение индуцированной мощности исчезает. Плотность энергии после этого распределяется по классическому экспоненциальному закону – после выхода индуктора № 7 (рисунок 2).

 

Продольные и поперечные трещины

 

Продольные и поперечные трещины возникают при индукционном нагреве высокоуглеродистых сталей марок AISI 1060 – AISI 1090. Эти трещины появляются из-за тепловых напряжений и низкой теплопроводности в высокоуглеродистых сталях. Тепловые напряжения являются причиной различных величин температуры и температурного градиента.

Большинство из этих трещин появляется во время первой и второй стадий нагрева, когда внутренние области стержня непластичны. Способность точно предсказывать предельно допустимый перепад температуры от поверхности к сердцевине на различных стадиях нагрева приводит к уменьшению опасности появления трещин. В то же самое время способность предсказывать распределение температур вдоль оси стержня позволяет предотвратить поверхностный перегрев и минимизировать скорость распространения высокой температуры по поверхности стержня. Это ведет к уменьшению потерь металла за счет отшелушивания, окисления, пригорания и обезуглероживания.

 

Распределение температуры в направлении от начала к концу стержня

 

Распределение температуры от поверхности к сердцевине является только одним из компонентов условий, предъявляемых к нагреву при ковке. Другим компонентом является распределение температуры по направлению от начала к концу нагреваемого стержня. Когда при индукционном нагреве стержень целиком помещается в индуктор или их систему проблемы выравнивания температуры от начала к концу стержня не существует. Однако в большинстве случаев между предыдущим и последующими нагреваемыми стержнями имеется воздушный зазор в 5 или 10 дюймов (127 или 254 мм) или более. Существование этих зазоров может создать неприемлемую неравномерность температур вдоль оси стержня.

Достижение требуемого распределения температур по длине стержня требует создания электромагнитного концевого эффекта, который, прежде всего, реагирует на неравномерность распределения температур по длине стержня и может быть причиной выравнивания этих температур.

На рисунке 3 показано распределение плотности энергии по длине, когда два стержня расположены в середине системы из нескольких индукторов. Электромагнитное поле искажается и обеспечивает распределение индуцируемой в концы стержня энергией, что известно как электромагнитный концевой эффект.

 

Рисунок 3. Эскиз распределения плотности энергии по длине двух стержней, расположенных в середине многовиткового индуктора

 

В случае немагнитных металлов – определенных марок нержавеющей стали, титана или углеродистой стали, нагретых выше точки Кюри – возникает излишек индуцированной в районе конца стержня. Этот излишек энергии зависит от величины воздушного зазора, частоты, плотности энергии, электрического сопротивления металла и геометрии стержня.

Концевой эффект в магнитном стержне имеет несколько различных особенностей по сравнению с немагнитным стержнем. Электромагнитный концевой эффект в ферромагнитном металле в основном проявляется в двух факторах:

1. Эффект размагничивания вихревых токов, который может усиливать магнитное поле вне стержня.

2. Эффект намагничивания поверхности и объемных токов, который концентрирует магнитное поле в стержне.

Первый фактор является причиной повышенного выделения энергии в конце стержня, аналогично тому, как это происходит в немагнитном стержне. Второй эффект является причиной уменьшения энергии, выделяемой в конце стержня. Таким образом, концы ферромагнитного стержня даже внутри длинного индуктора могут перегреваться или недогреваться. Изучение показывает, что недостаток энергии является причиной недогрева конца стержня, что характерно для сталей с высокой магнитной проницаемостью, нагреваемых при относительно слабых или средних плотностях энергии.

Как было указано ранее, на рисунке 3 демонстрируется распределение плотности энергии для случая, когда два стержня расположены в середине многовиткового индуктора. В действительности, это распределение подвергается непрерывному изменению при прохождении стержня через индуктор, и распределение плотности энергии становится более сложным. В некоторых случаях может возникнуть уникальное волнообразное распределение плотности энергии по направлению стержня. При этом образуется избыток энергии на конце стержня; однако, районы, смежные с концом находятся в области недостатка энергии, по сравнению с энергией, которая индуцируется в области стержня, удаленной от его конца.

Получение равенства температур по направлению от начала к концу более трудная задача, чем минимизация температурного градиента по направлению от поверхности к сердцевине. Понимание сложности процессов и применение алгоритмов специального управления может минимизировать неравномерность температуры в осевом направлении стержня.

 

КПД

 

Высоко эффективны полупроводниковые источники питания, зауженные индуктора с малыми потерями, специальные огнеупорные прокладки и короткие подводящие шины – вот некоторые из факторов, которые могут обеспечивать минимизацию потерь энергии.

Применение двухчастотной концепции является другим решением обеспечения эффективности. Она подразумевает использование низкой частоты на первой и второй стадиях нагрева, когда стержень еще сохраняет свои магнитные свойства. На третьей стадии, когда стержень становится немагнитным, более эффективной является повышенная частота.

В некоторых случаях, индукционный нагрев может не удовлетворять всем требованиям из-за ограничений управления температурой, промышленных помех и неспособности получения термооднородности, особенно в случаях, когда осуществляется нагрев стержней с прямоугольным или трапецеидальным поперечным сечением.

Если стержень имеет не цилиндрическую форму, на его краях имеются искажения электромагнитного поля. Известный, как электромагнитный краевой эффект, этот феномен создает неравномерность распределения температуры по поперечному сечению стержня.

Но высокочастотный индукционный нагреватель с полупроводниковым источником питания может управлять температурой и обеспечивать постоянство нагрева при работе с высоким электрическим КПД.

 

Обзор источников питания

 

Наиболее важным элементом любой индукционной нагревательной системой является источник питания. Он обеспечивает реализацию всех важнейших параметров индукционной нагревательной системы, включая надежность, ремонтопригодность, компактность, гибкость системы нагрева, энергетическую эффективность и стоимость. Много различных типов и моделей источников питания удовлетворяет требованиям систем нагрева в практически бесконечном разнообразии применений этого вида термообработки. Как обсуждалось ранее, специфика нагрева стержней определяет частоту, мощность, число индукторов и другие параметры, включая напряжение, ток и коэффициент мощности.

Вплоть до 1970 года для нагрева стержней использовались машинные генераторы звуковых частот. В конце 1960-х годов начали применяться сравнительно быстродействующие ключевые элементы – тиристоры. Они могли коммутировать токи до 300 Ампер. Применение этих приборов сделало технически и экономически возможной разработку полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева на звуковых частотах.

Аналогичные революции произошли как в звуковом, так и в радио диапазоне частот. В середине 1980-х появились новые силовые элементы, которые можно было использовать для разработки источников питания для индукционного нагрева. Эти компоненты включали силовые полупроводники, конденсаторы и трансформаторы. Силовые транзисторы, названные MOSFET и IGBT транзисторами, позволили осуществлять коммутации больших мощностей на высоких частотах с малыми потерями.

Выбор типа источника – тиристорного или транзисторного – зависит от области применения. Например, тиристоры, способны выдерживать большие ударные токи, в то время как транзисторы не обладают таким качеством. С другой стороны, транзисторы могут быть выключены в случае аварийной ситуации до момента времени, когда аварийный ток достигнет недопустимого уровня. Электронные системы управления в транзисторных источниках питания должны иметь очень быструю и селективную систему защиты.

Транзисторные источники питания экономически эффективны на частотах, начиная с 10 кГц и выше. Вообще говоря, на этих частотах транзисторные источники питания более компактны, чем аналогичные тиристорные. На частотах ниже 3-х кГц тиристорные источники питания преобладают на рынке, особенно для реализации больших мощностей.

Важным на начальной стадии проектирования индукционной нагревательной системы является возможность обеспечивать для нагрева стержней максимально возможную мощность при минимальной стоимости. Обстоятельства не всегда позволяют оптимизировать разработку сложной индукционной системы, в которой источник питания проектируется только с точки зрения специфики его применения; сюда, безусловно, следует включать учет специфики требований, определяемых параметрами индуктора. Отсутствие должного учета специфики нагрузки может привести к невозможности согласования выходных характеристик источника питания и входных характеристик индуктора.

Оптимальное проектирование индукционной нагревательной системы должно производиться с учетом не только особенностей физики индукционного нагрева, но и с учетом особенностей согласования параметров индуктора и параметров источника питания.

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