Малоизученное при индукционном нагреве углеродистых сталей: явление «полосового» нагрева

 

Доктор Валерий И. Руднев, Дон Л. Лавлесс, Рэй Л. Кук

Inductoheat Inc., Madison Heights, MI 48071

 

 

Индукционная термообработка, включая поверхностную и сквозную закалку, зачастую является одним из наиболее эффективных способов получения требуемых свойств металла для различных применений. Основные принципы явления индукционного нагрева установлены и получены из законов Фарадея и Ампера. В соответствии с этими законами, переменное напряжение, прикладываемое к индуктору, приводит к тому, что в цепи индуктора протекает переменный ток. Переменный ток в индукторе приводит к наведению переменного магнитного поля, которое имеет такую же частоту, что и ток в индукторе. Напряженность магнитного поля зависит от частоты, тока индуктора и геометрии индукционной системы. Изменяющееся во времени магнитное поле наводит вихревые токи в заготовке, которая находится внутри или лежит на поверхности индуктора. Наведенные токи имеют ту же частоту, что и ток индуктора, однако их направления противоположны (см. рисунок 1). Вихревые токи, наведенные в заготовке, вызывают ее нагрев согласно эффекту Джоуля.

 

Рисунок 1. Распределение токов в индукционной системе «индуктор – заготовка»

 

 Одним из важнейших преимуществ индукционной термообработки является возможность выделения большой мощности в выбранной области заготовки. Это приводит к небольшому времени нагрева и, следовательно, к высокой производительности системы по сравнению с другими методами термообработки.

 Индукционная термообработка – сложный процесс, включающий многие факторы и составляющие. Чтобы получить эффективную индукционную систему, которая обеспечит требуемую термообработку заготовки, необходимо выбрать частоту, мощность и тип индуктора.

 

 Природа и история «полосового» эффекта

 

 Перед тем как обсуждать особенности индукционной термообработки, необходимо упомянуть об одном важном эффекте, который обычно не рассматривается в изданиях, посвященных индукционному нагреву. Этот эффект получил название «полосового» эффекта. Он обычно имеет место при интенсивной индукционной закалке углеродистой стали на высокой мощности. Из-за этого эффекта, в обрабатываемой детали, находящейся в индукторе, тепло может распределиться неравномерно. «Полосовой» эффект также может возникнуть в случае нагрева цилиндрической детали в одновитковом индукторе (см. рисунок 2). При этом, вскоре после начала цикла нагрева появляется чередование «горячих»  (яркие полосы) и «холодных» (темные полосы) областей. Эти яркие и темные полосы на цилиндрической заготовке имеют форму колец.

 

Рисунок 2. «Полосовой» эффект при индукционном нагреве цилиндрической заготовки из углеродистой стали

 

 «Полосовой» эффект никогда не пытались изучить с помощью математического моделирования. Он был выявлен только во время практической деятельности или во время лабораторных экспериментов по индукционной закалке магнитных сталей и часто воспринимался как нечто таинственное или магическое. При некоторых технологиях этот эффект может проявиться внезапно, а при повторном процессе нагрева при тех же условиях может не возникнуть. Не существует единственного объяснения этого эффекта. Первая попытка объяснить его была предпринята М.Г. Лозинским в начале 40-ых годов. Она базировалась на знаниях, которыми в то время владели специалисты по термообработке. Гипотеза Лозинского, объясняющая «полосовой» эффект, основывалась на существенных упрощениях, но была достаточно логичной для того, чтобы послужить основой для последующих, более сложных гипотез. Поэтому в последующем текст в краткой форме будет воспроизведена гипотеза «полосового» эффекта Лозинского и точка зрения авторов. Последняя базируется на современном опыте и новейших теоретических исследованиях, вытекающих из экспериментов с явлением «полосового» эффекта, которые проводились для различных процессов, происходящих при индукционном нагреве.

 

 Гипотезы возникновения «полосового» эффекта

 

 Рассмотрим цилиндр из магнитного материала, который расположен внутри одновиткового индуктора (см. рисунок 2). Как упоминалось выше, в результате действия электромагнитного поля, вызванного протеканием тока через индуктор, в заготовке будут наводиться вихревые токи. Из-за явления поверхностного эффекта эти вихревые токи в первую очередь будут протекать в поверхностных слоях заготовки, расположенной в индукторе. В результате их протекания будет наблюдаться рост поверхностной температуры в заготовке.

 В действительности, каждая заготовка имеет определенные нарушения структуры, микроскопические дефекты, примеси и неоднородности. Под этим подразумеваются структурные/механические и металлургические неоднородности. В результате этого различные области поверхности заготовки, расположенной в индукторе, будут нагреваться немного по-разному. Определенные области поверхности будут достигать точки Кюри раньше других, и при этом терять свои магнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость этих областей будет резко падать и достигать значения μ=1. Это приведет к значительному увеличению глубины проникновения в них. Сопротивление этих немагнитных областей существенно упадет по сравнению с соседними областями поверхности, которые еще сохраняют магнитные свойства.

 В результате этого, плотность индуцированных токов в областях низкого сопротивления будет возрастать. Это ведет к возрастанию плотности мощности и увеличению выделения тепла в этих областях. В то же время, будет наблюдаться перераспределение вихревых токов в заготовке. Вихревые токи, наводимые в областях, которые еще сохранили свои магнитные свойства (темные полосы), будут выказывать тенденцию к замыканию по контурам с низким сопротивлением (яркие полосы). Перераспределение токов приведет к дальнейшему уменьшению выделения тепла в областях с сохранившимися магнитными свойствами, которые нагреты до более низкой температуры (темные полосы) и обеспечит дополнительный нагрев в областях, потерявших магнитные свойства (светлые полосы). Поэтому горячие яркие полосы будут чередоваться с относительно более холодными темными полосами. Опыт показывает, что толщина ярких и темных полос прежде всего зависит от частоты и плотности мощности и составляет примерно 1 – 3 глубины проникновения тока в горячую сталь.

 Из-за вышеупомянутого эффекта перераспределения тока «полосовой» эффект является результатом различных электромагнитных и тепловых явлений, включая электромагнитный краевой эффект, возникающий при соединении материалов с различными свойствами (например, магнитных и немагнитных металлов).

 

 Электромагнитный краевой эффект при соединении материалов с различными свойствами (EEJ-эффект)

 

 Электромагнитный краевой эффект возникает когда два металла с различными электромагнитными свойствами расположены в общем магнитном поле. Для упрощения изучения этого эффекта рассмотрим электромагнитный процесс в условном соленоидальном индукторе с двумя заготовками, например двумя цилиндрическими болванками (см. рисунок 3). Предположим, что болванки обладают различными свойствами (например, различными электрическими сопротивлениями, ρ или магнитными проницаемостями, μ). Когда две болванки с различными свойствами соединены вместе и помещены внутрь индуктора, возникнет распределение магнитного поля в области их стыка (так называемой переходной зоне) [2 – 4]. Например, если одна болванка нагрета до температуры вше точки Кюри (не обладает магнитными свойствами), а вторая продолжает сохранять свои магнитные свойства, тогда искажение электромагнитного поля будет соответствовать приведенному на рисунке 4. Если болванки достаточно длинные, то напряженность магнитного поля в их центральной части будет приблизительно равной и будет пропорциональной току индуктора. В то же самое время, плотность мощности на поверхностях магнитной и немагнитной болванок будет существенно различна (см. рисунок 4).

 

Рисунок 3. Эскиз системы индукционного нагрева, иллюстрирующий нагрев болванок с различными свойствами материалов

 

Рисунок 4. Искажение электромагнитного поля на стыке магнитной и немагнитной стальных болванок

 

 На левом конце немагнитной болванки (болванка 1) и на правом конце магнитной болванки (болванка 2) имеет место неоднородное распределение плотности мощности, вызванное концевым эффектом на стыке немагнитной и магнитной заготовок. В области стыка болванок распределение поля является очень сложным. На правом конце немагнитного цилиндра (болванка 1) напряженность магнитного поля и плотность мощности резко возрастают. На левом конце магнитного цилиндра (болванка 2) эти параметры также резко падают. Это явление называется электромагнитным краевым эффектом (EEJ-эффект) соединения материалов с различными свойствами. Безусловно, это явление играет важную роль в появлении «полосового» эффекта и приводит к значительному перераспределению электромагнитного поля в области темных полос (где магнитные свойства сохраняются) и ярких высокотемпературных полос (которые стали немагнитными). Благодаря этому электромагнитному эффекту, распределение тепла будет отличаться по сравнению с его классической формой, которая традиционно принимается при изучении и проектировании индукционных процессов термообработки.

 Электромагнитный краевой эффект соединения материалов с различными свойствами также имеет место в случае, когда обе заготовки являются немагнитными, но имеют различное электрическое сопротивление (ρ). На рисунке 5 показано распределение плотности мощности в болванке 1 для индукционной системы, показанной на рисунке 3. В этом случае обе болванки являются немагнитными и имеют различное электрическое сопротивление (ρ1 и ρ2). Когда электрическое сопротивление болванки 1 (ρ1) в три раза больше, чем сопротивление болванки 2, на общей поверхности болванок 1 и 2 имеет место уменьшение плотности мощности. Однако, когда ρ1=0,33*ρ2 имеет место уменьшение плотности мощности.

 

Рисунок 5. Распределение плотности мощности вдоль болванки 1 для системы, приведенной на рисунке 3 (частота – 60 Гц, ρ1=1,1 мкОм*дюйм)

 

 Эффект соединения материалов с различными свойствами может иметь большое влияние на появление «полосового» эффекта. Эти условия должны приниматься во внимание при проектировании прецизионных систем индукционного нагрева. Например, этот эффект может значительно влиять на окончательное распределение температуры при проектирования нагревателя болванок, особенно, когда индукционное оборудование работает ниже или существенно выше точки Кюри [2].

 

 Заключение

 

 Опыт показывает, что «полосовой» эффект может появляться в нескольких различных случаях. Однако, в подавляющем большинстве случаев, в начале цикла нагрева появляется очень узкая яркая полоса (см. рисунок 2). Со временем узкая полоса расширяется и становится шире. На этой стадии максимальные температуры будут перемещаться от центра каждой полосы по направлению к концам каждой яркой полосы. В течение процесса нагрева полосы могут перемещаться назад и вперед по поверхности заготовки, расположенной в индукторе. При увеличении времени цикла нагрева обычно «полосовой» эффект не будет явным и будет происходить выравнивание температуры по поверхности заготовки.

 Возникновение «полосового» эффекта является комплексной зависимостью от частоты, напряженности магнитного поля, тепловых, электрических и магнитных свойств стали. Кроме этого, это явление может происходить только при высоких плотностях мощности. С другой стороны, если плотность мощности достаточно низка выравнивание температур между яркой (высокотемпературной) и темной (низкотемпературной) полосами будет происходить из-за теплопроводности стали.

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