Проектирование индукционного оборудования для современных кузнечных цехов

 

Валерий Руднев,  Курт Л. Швайгерт

 

 

Современное ковочное производство предъявляет высокие требования к процессам индукционного нагрева металлов. Именно поэтому необходимо принимать во внимание как можно большее количество характеристик и аспектов процесса индукционного нагрева металлов.

 

Много лет назад знания в области электромагнитных полей и инженерная интуиция давали все, что необходимо для создания эффективных систем индукционного нагрева. В настоящее время такой уровень знаний недостаточен. Разработчики современных систем индукционного нагрева должны владеть  специальным программным обеспечением, которое позволяет им производить подробное моделирование процессов, происходящих в индукционных нагревательных установках.

Современное проектирование индукционного нагревательного оборудования для новейших ковочных производств требует учета большого количества факторов. Среди них:

- Нелинейные свойства материалов.

- Геометрия заготовки.

- Характеристики индукционного нагревателя – число индукторов, тип отражателя, концентраторы поля и т.д.

- Эффект электромагнитной связи и эффект теплопередачи.

- Характеристики катушки индуктора – витки, слои, фазировка, работа схемы управления.

Кроме этого, при разработке современных индукционных нагревательных систем необходимо принимать во внимание не только установившийся процесс нагрева, но и переходные процессы (при пуске и установке). Аналитический расчет индукторов по эквивалентным схемам, который был популярен в 60-70-х годах, в настоящее время не может удовлетворять разработчиков из-за свойственных ему ограничений. Современные численные методы являются более точными и удобными в применении по сравнению с используемыми ранее формулами, которые выводились с большим количеством допущений.

 

Математическое моделирование

 

При изучении процессов индукционного нагрева необходимо учитывать два явления: теплопередачу и электромагнитное явление, которые существенно связаны, поскольку физические свойства нагреваемого металла сильно зависят как от напряженности электромагнитного поля, так и от температуры. В течение всего периода нагрева необходимо предопределять рост температуры и ее распределение в заготовке. Точное предсказание распределения электромагнитного поля очень важно также как и остальные выходные параметры. Такие характеристики помогают проектировщику получить требуемый нагрев заготовки и должным образом согласовать параметры индукционного нагревателя с источником питания. Это позволит получить индукционное оборудование, которое функционирует с высокой эффективностью и надежностью.

Проблема теплопередачи описывается уравнением Фурье:

где: T – температура, γ – плотность материала, С – удельная теплоемкость, λ – теплопроводность, q – плотность источника тепла, наведенного вихревыми токами за единицу времени в единице объема.

Удельная теплоемкость и теплопроводность являются функциями температуры. Источник тепла определяется путем решения электромагнитной задачи.

Уравнение Фурье с соответствующими ограничениями и начальными условиями, описывает проблему распределения температуры во времени для любой точки заготовки.

Ограничения по условиям проводимости и излучения выражаются следующим образом:

где: индексы «s» и «a» относятся к поверхности и температуре окружающей среды, α – коэффициент поверхностного обмена, Qs – поверхностные потери (то есть потери во время охлаждения) и n обозначает направление к границе.

Часть искусства математического моделирования электромагнитных полей – правильный выбор представления поля, которое может разниться при различной постановке задач.

Когда переменные, описывающие поле в уравнениях Максвелла, являются гармоническими колебательными функциями одной частоты гистерезисом и насыщением можно пренебречь и свойства материала являются непрерывными, тогда задача распространения электромагнитного поля может быть описана с помощью вектора электромагнитного потенциала A, напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н.

где μ, σ и μ0 – соответственно, относительная магнитна проницаемость, проводимость материала и магнитная проницаемость вакуума. Магнитная проницаемость должна быть функцией напряженности магнитного поля и температуры, а проводимость – только температуры.

 Символы «», «*» и «х» используются выше для выражения частных производных по различным переменным. Аналитические методы и эквивалентные методы теории цепей, применяемые при анализе индукторов, достаточно часто могут давать различные результаты. Методы конечно-дифференциальный, конечных элементов, граничных элементов и интегральных уравнений могут применяться при численном решении полевых задач и задач теплопередачи при индукционном нагреве. Опыт использования этих методов показывает, что правильный выбор метода зависит от особенностей применения и специфики решаемой задачи. Во многих случаях очень эффективно использование сочетания этих методов.

 

Проектирование для установившихся и переходных процессов

 

Требования современных технологий определяют углубленное изучение процессов и их применения. Использование большинства численных методов и программного обеспечения позволяет получить более детальную информацию. Эта информация позволяет инженерам выдвинуть передовые идеи, раскрыть сущность процессов и лучше понять различные уникальные промышленные технологии.

Например, некоторые нововведения в современной технологии ковки требуют понимания особенностей поперечных и продольных электромагнитных концевых и краевых эффектов. Современные инженеры обязаны знать описанные ниже несколько явлений, характерных для установившихся и переходных процессов в индукторах с заготовкой.

Современное проектирование индукционного нагревательного оборудования учитывает не только установившиеся, но и переходные процессы. Под переходными процессами при индукционном нагреве понимаются процессы включения и выключения, термостационарные процессы, когда необходимо задержать заготовку в индукторе во время простоя индукционного оборудования и т.д. Во многих случаях переходные процессы оказывают большое влияние на общие технические характеристики систем. Получение корректных параметров системы во время переходного процесса – один из наиболее важных путей ограничения количества брака, повышения производительности и совершенствования индукционного оборудования.

Предположим, что рассматривается процесс пуска при нагреве длинных стержней или труб, которые непрерывно движутся через индукционный нагреватель. Можно предположить, что благодаря концевому эффекту при переходном процессе возможен недогрев или перегрев конца нагреваемой заготовки. Процессы в конце нагреваемого стержня аналогичны процессам, возникающим при концевом эффекте в стандартной нагреваемой заготовке. Однако существуют определенные особенности, которые необходимо принимать во внимание. Одной из основных особенностей является изменение тока индуктора (в случае, если индуктор питается от источника напряжения) или изменение напряжения (при питании от источника тока), когда нагреваемый стержень движется через индуктор. Результирующее распределение температур зависит от большого количества параметров, включая геометрию индукционной системы, свойства материала и рабочие параметры нагревателя.

На рисунке 1 показано семейство кривых, определяющих распределение относительной мощности вдоль длины стержня из нержавеющей стали (диаметр стержня – 3 дюйма (76,2 мм)) для различных положений его конца внутри индуктора (внутренний диаметр индуктора – 5 дюймов (127 мм), длина индуктора – 11 дюймов (279,4 мм), частота – 5 килогерц). Напряжение на индукторе постоянно. Пунктирная кривая соответствует относительной мощности в зависимости от местоположения конца стержня. Ясно, что конец стержня будет перегрет, тогда как остальные части стержня недополучат необходимое для нагрева количество энергии.

 

Рисунок 1. Распределение относительной мощности по длине стержня из нержавеющей стали при различных его положениях в индукторе

 

С увеличением частоты или напряжения на индукторе излишек тепла, выделяемый в конце заготовки, также увеличивается.

В случае если нагревается магнитный стержень, рассматриваемые закономерности могут быть существенно отличны. Область максимальной температуры может находиться на расстоянии от 1,5 до 2,5 дюймов (от 38,1 до 6,35 мм) от конца стержня. В этом случае зона конца стержня будет недогрета по сравнению со смежными с ней областями.

Очевидно, что распределения температуры и энергии вдоль длины стержня не будут теми же самыми из-за тепловых потерь на конце и теплопроводности. В результате теплопроводности распределение температуры по длине стержня будет более однородным. Тепловые потери могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на окончательную равномерность распределения температуры. Излишек энергии на конце заготовки может быть скомпенсирован тепловыми потерями. Недостаток энергии на конце и тепловые потери приводят к неоднородности температурного распределения по длине стержня.

На рисунке 2 показано распределение температуры и напряженности магнитного поля относительно длины индуктора, загруженного четырьмя заготовками (установившийся режим). Заготовки загружаются одна за другой через индуктор с помощью толкательной системы. Большую часть времени заготовки неподвижны в индукторе и движутся только когда вставляется новая заготовка.

 

Рисунок 2. Распределение температуры и напряженности магнитного поля вдоль длины индуктора с четырьмя заготовками. Tin – внутренняя температура (сердцевины); Tout – внешняя температура (поверхности)

 

Параметры индукционной установки следующие:

- Геометрия заготовки:

 Внешний диаметр – 3,1 дюйма (78,74 мм);

 Длина – 9 дюймов (228,6 мм);

 Материал – углеродистая сталь;

 Число заготовок – четыре.

- Геометрия индуктора:

 Внутренний диаметр – 5,5 дюйма (139,7 мм);

 Длина – 39 дюймов (990,6 мм);

 Число витков – 50;

 Напряжение – 750 вольт;

 Частота – 2,4 килогерца.

- Геометрия отражателя:

 Внешний диаметр – 5,5 дюйма (139,7 мм);

 Толщина – 0,8 дюйма (20,32 мм);

 Теплопроводность – 0,028 Ватт/дюйм (0,0011 Ватт/мм).

Распределение температуры и поверхностное распределение магнитного поля в направлении оси заготовки являются результатом различных электромагнитных эффектов: концевой эффект в месте стыка заготовок и продольный концевой эффект индуктора, изменение магнитных свойств заготовок в связи с тем, что заготовки, попавшие в индуктор раньше, уже прошли точку Кюри, а последние заготовки еще обладают магнитными свойствами.

Магнитное поле в левом конце заготовки №1 формируется в результате наложения двух концевых эффектов (рисунок 2): концевой эффект индуктора и магнитных свойств заготовки. Концы ферромагнитных заготовок могут быть либо недогреты, либо перегреты из-за продольных концевых эффектов, определяемых магнитными свойствами заготовки. В этом случае, каждый из этих эффектов будет приводить к недогреву левого конца заготовки №1 (0 < Z < 3 дюйма (76,2 мм)). В области стыка магнитных и немагнитных заготовок (7 дюймов (177,8 мм) < Z < 9,8 (248,92 мм)) имеет место электромагнитный эффект, возникающий при соединении материалов с различными свойствами. В правом конце заготовки  №1 реализуется продольный концевой эффект, обусловленный распределением поля в магнитном цилиндре. В левом конце заготовки №2 реализуется концевой эффект немагнитного цилиндра. Напряженности магнитного поля в центральной части обеих заготовок примерно равны. Это означает, что электромагнитное поле, сосредоточенное в их центральных частях, однородно. В области стыка заготовок имеют место сложные искажения магнитного поля. В конце немагнитного цилиндра напряженность магнитного поля и удельная мощность резко возрастают. В магнитном цилиндре эти параметры резко уменьшаются. Следовательно, благодаря эти эффектам, в правом конце заготовки №1 наблюдается локальный недогрев. Здесь необходимо заметить, что первоначальное осевое распределение температур в заготовке №2 неоднородно (благодаря описанному выше эффекту, когда заготовка находилась в предыдущем положении). Увеличение плотности энергии на левом конце заготовки №2 приблизительно компенсирует первоначальный недогрев.

Концевой эффект также имеет место в области стыка заготовок №2 и №3 и заготовок №3 и №4. Относительная магнитная проницаемость этих заготовок равна 1 (поскольку их температура превосходит точку Кюри), но электрическое сопротивление этих заготовок различно. Эффект в области стыка этих заготовок не выражен ярко.

Магнитное поле в правом конце заготовки №4 формируется двумя противодействующими концевыми эффектами: концевым эффектом в индукторе и концевым эффектом в немагнитной заготовке. Первый эффект обеспечивает недостаток выделения тепла в области правого конца заготовки. Как описано выше, продольный концевой эффект в немагнитном теле всегда приводит к увеличению энергии, выделяющейся в конце заготовки.

Здесь необходимо заметить, что распределение температуры в правом конце заготовки №4 формируется не только за счет электромагнитных явлений, но и за счет потерь тепла, происходящих в околоторцевой зоне заготовки. Потери тепла за счет концевого эффекта происходят благодаря двум явлениям:

- Дополнительные потери тепла в правом конце заготовки по сравнению с потерями тепла в ее центральной части.

- Благодаря геометрии индукционной системы, различные поверхности заготовки №4 имеют различные радиационные потери (Закон Ламберта или косинусный закон).

В случае, рассмотренном на рисунке 2, концевой эффект немагнитной заготовки только частично компенсируется концевым эффектом индуктора и концевыми потерями тепла за счет излучения. В результате этого происходит недогрев правой части заготовки №4.

Равномерность температурного распределения может быть достигнута тщательным выбором параметров индукционной системы, таких как «нависание» индуктора над концом заготовки, частота и т.д.

Потери тепла из-за концевого эффекта имеют место в левом конце заготовки №1, но, из-за его низкой температуры, этот эффект незначителен.

Эффект стыка материалов с различными свойствами может оказывать значительное влияние на результирующее распределение температур. Этот эффект необходимо принимать во внимание, особенно при проектировании индукционного нагревательного оборудования, в котором нагрев заготовок производится либо до температуры ниже, либо существенно выше точки Кюри. Этот эффект также объясняет физику процесса с использованием такого управляющего индукционным нагревом инструмента как водоохлаждаемый виток.

Такое глубокое понимание процесса индукционного нагрева позволит производителям индукционного оборудования выпускать оптимальные установки для ковки, которые удовлетворяют жестким требованиям по температуре нагрева. Реализация понимания процесса индукционного нагрева позволяет существенно улучшить функциональные характеристики ковочного оборудования, что обеспечивает следующее:

- Увеличение выхода поковок.

- Снижение уровня абразивного износа.

- Повышение точности получения поковок.

- Уменьшение усилий прессового оборудования.

- Возможность получения чистых и получистых поковок.

Получаемые преимущества становятся более существенными, когда в процессе применяются:

- Дорогостоящие сплавы или материалы, которые нельзя подвергать процессу повторного нагрева.

- Критичные к поддержанию температуры процессы, такие как полутвердое формование.

- Технологические процессы с деталями, размеры и материалы которых часто меняются, что требует многочисленных остановок и пусков оборудования.

При оценке индукционного оборудования, произведенного в 90-ых годах и позднее, можно быть уверенным в том, что это оборудование спроектировано и изготовлено на основе глубокого понимания сложных комплексных процессов, происходящих при индукционном нагреве.

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