Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
3.4 Индукционные нагревательные установки Впервые задача индукционного нагрева металлов для термообработки и ее техническое решение были сформулированы E. F. Northrup в 1918 году. В дальнейшем начались интенсивные исследования в этой области, которые привели к созданию в настоящее время мощной и высоко эффективной промышленной отрасли мирового хозяйства. В России это направление возглавил выдающийся ученый В. П. Вологдин [41]. Современный этап развития отрасли характеризуется наличием в технических университетах и других учреждениях развитых научных школ в области индукционного нагрева, родоначальниками и руководителями которых являются: ЛЭТИ и ВНИИТВЧ (Санкт-Петербург) – В. П. Вологдин , Г. И. Бабат, А. Н. Шамов; УПИ (Екатеринбург) – Н. М. Родигин; СамГТУ (Самара) – Э. Я. Раппопорт; НЭТИ (Новосибирск) – В. С. Чередниченко; МЭИ (Москва) – А. Д. Свенчанский, А. В. Нетушил, М. Г. Лозинский; КГТУ (Красноярск) – В. Н. Тимофеев. Разработаны научные направления: - создание аналитических методов расчета электромагнитных индукционных систем и решение тепловых задач, при индукционном нагреве, легших в основу современных численных методов расчета; - теоретические основы разработки схем источников питания индукционных систем и методов их анализа; - численные методы анализа электромагнитных процессов. Необходимо отметить, что уже решено большое количество фундаментальных проблем в области индукционного нагрева металлов. Однако интенсивное развитие промышленного производства ставит все новые теоретические и прикладные задачи, требующие новых подходов, разработки современных методов и методик, а также компьютерных технологий и инструментов для их решения. 3.4.1 Основные понятия и определения в технике индукционного нагрева Установки индукционного нагрева являются электротермическим оборудованием. Электротермическим оборудованием (ЭТО) согласно терминологии, установленной действующими стандартами, называется комплекс технологического оборудования и устройств, для осуществления электротермического процесса. Электротермический процесс − технологический процесс тепловых воздействий на загрузку при помощи электронагрева. Кроме ЭТО, различают такие понятия, как электротермическая установка, электропечь, электротермическое устройство и электротермический агрегат. Электротермическая установка − 225 совокупность электротермического и другого технологического оборудования вместе с сооружениями и коммуникациями, обеспечивающими проведение электротермического процесса. Электротермическое устройство − часть электротермического оборудования, в которой осуществляется электротермический процесс в открытом рабочем пространстве. Электротермический агрегат − совокупность электротермического оборудования и других устройств, объединенных технологическим процессом. Индукционное электротермическое устройство − электротермический агрегат, в котором электротермический процесс осуществляется индукционным нагревом. Под индукционным понимают нагрев тел в электромагнитном поле за счет теплового действия электрического тока, индуцированного в загрузке или промежуточном устройстве (например, в электропроводном тигле) благодаря явлению электромагнитной индукции. Под индукционными установками понимают комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токопроводы, некоторые вспомогательные устройства). Индукционная нагревательная установка отличается от плавильной тем, что конечная температура нагрева загрузки всегда ниже температуры плавления материала. Важнейшим элементом любой установки индукционного нагрева (УИН) является индуктор , представляющий собой проводник или систему проводников определенной конфигурации, подключаемый к внешнему источнику переменного тока и предназначенный для дистанционного (бесконтактного) наведения в нагреваемом изделии переменного электромагнитного поля и электрического тока, разогревающего изделие. Индуктор обычно навивают из медного провода в виде одновитковой или многовитковой катушки, конструкция которой определяется размерами и конфигурацией нагреваемых изделий, а также требований технологии нагрева. Сами изделия, помещенные в индуктор и подвергаемые индукционному нагреву, принято называть загрузкой. В некоторых случаях загрузку целесообразно нагревать, возбуждая электрический ток не непосредственно в ней, а в каком-либо промежуточном устройстве (например, в муфеле или в электропроводном тигле). Такой вид нагрева загрузки называют косвенным индукционным нагревом , а печь служащую для его реализации, называют индукционной печью косвенного нагрева . На практике используют также понятие индукционный нагреватель (ИН). В его состав входят все элементы индукционной установки, кроме источников питания. Для компенсации реактивной мощности индуктора используют группу силовых конденсаторов, соединенных между собой, как правило, 226 параллельно, и оформленных в обособленный конструктивный модуль, который принято называть конденсаторной батареей (КБ). Индуктор, соединенный токопроводом с конденсаторной батареей, образует силовой резонансный контур индукционной установки. Упомянутый токопровод, выполняемый обычно в виде пакета шин и кабелей (контурные токи могут составлять несколько десятков тысяч ампер), иногда называют короткой сетью установки, по аналогии с короткой сетью дуговых печей. 3.4.2 Особенности индукционных установок сквозного нагрева Особенностью индукционных установок сквозного нагрева для термообработки под пластическую деформацию (прессовка, ковка, гибка, прошивка и прочие), или для химико-термической обработки (закалка, отжиг, правка и другие) является необходимость обеспечения прогрева загрузки по всему объему с определенной допустимой неравномерностью, при минимально возможном времени нагрева и высоких энергетических показателях. Температуры основных процессов металлообработки приведены в таблице 3.4. На рис. 3.39 представлены графики поглощения энергии различными материалами, в зависимости от температуры нагрева. Таблица 3.4 Температура основных процессов металлообработки Процесс Сталь Сталь нерж. μ >> 1 Сталь нерж. μ = 1 Ni Cu Латунь Al Горячая штамповка 1220 1083 1137 1083 890 807 532 Закалка 917 972 − 752 807 642 477 Нормализация 862 807 1027 917 522 532 367 Тепловая штамповка 752 − 642 642 − − − Снятие напряжений 587 587 587 587 257 285 367 Отжиг 312 312 312 312 − − − Упрочнение поверхности 230 230 230 230 230 230 230 При сквозном нагреве обычно применяют способ одновременного нагрева всех заготовок, когда индуктор охватывает всю поверхность детали, подлежащей термообработке, причем во всех точках загрузки нагрев происходит 227 одновременно. Температура поверхности и ее распределение по глубине зависит от времени нагрева и энергии, передаваемой в деталь за это время. Малое время нагрева обеспечивают подведением к загрузке индукционно большой удельной мощности. Частоту тока индуктора при сквозном нагреве выбирают достаточно низкой, чтобы существенная часть заготовки (на глубину более 30 % ее радиуса) нагревалась непосредственно током, созданным в поверхностном слое. Внутренний объем заготовки нагреваются за счет теплопроводности. Существует возможность дополнительного сокращения времени нагрева путем соответствующего изменения мощности, подводимой к загрузке в ходе нагрева. Так, например, на рис. 3.39 приведены графики изменения температуры поверхности Т 0 и центра Т ц цилиндрической загрузки при обычном индукционном нагреве стальной загрузки, выполняемом при примерно постоянной во времени удельной мощности и при ускоренном нагреве. В последнем случае в начальный период времени к заготовке подводится максимально возможная удельная мощность. Благодаря этому добиваются быстрого нагрева поверхностного слоя до заданной конечной температуры. Образовавшийся значительный перепад температур и соответственно большой тепловой поток между поверхностью и центром заготовки способствует быстрому прогреву внутренних слоев заготовки. В дальнейшем подводимую к заготовке мощность снижают таким образом, чтобы температура поверхности оставалась постоянной и равной заданной конечной величине. Как видно из рис. 3.39 благодаря управляемому изменению подводимой к загрузке мощности удается значительно (обычно в 2 – 3 раза) сократить время нагрева загрузки до конечной температуры при заданном перепаде температуры Δ Т между поверхностью и центром заготовки. Если мощность, передаваемая в загрузку, превышает потери с ее поверхности, и по истечении короткого времени, температура по всему сечению заготовки окажется в заданном интервале, то нагрев прекращают, а заготовку выдают для последующих в технологическом процессе операций. После отключения установки при остывании заготовки температура поверхностного слоя вскоре становится ниже температуры центра. В отдельных случаях для сокращения времени нагрева и уменьшения удельного расхода энергии используют две различные частоты тока. Двухчастотный нагрев иногда применяют для создания равномерного распределения температуры в загрузке прямоугольного или более сложного поперечного сечения. При индукционном нагреве тепло генерируется непосредственно в нагреваемом объекте и скорость нагрева выше, чем в пламенных печах и печах сопротивления. 3.4.3 Особенности индукционного нагрева черных и цветных металлов 228 Различные металлы имеют различную восприимчивость к нагреву индукционным методом. Это обусловлено содержанием или отсутствием железа в структуре металла, а также наличием магнитных свойств у нагреваемого металла. Черные металлы за счет содержания в своей структуре железа обладают высоким удельным сопротивлением по сравнению с цветными металлами, удельное сопротивление которых в десятки раз меньше. Наличие магнитных свойств у ряда черных металлов вносит свои особенности в процесс индукционного нагрева [12, 13, 14, 15]. При индукционном нагреве магнитных материалов, таких как углеродистая сталь, по сравнению с немагнитными металлами возникают некоторые специфические аспекты. У магнитных металлов существует две стадии цикла нагрева. На первой стадии, когда магнитная проницаемость нагреваемого металла μ 2 в любой точке сечения определяется кривой намагничивания, достаточно ярко выражен скин-эффект и эффективность индукционного нагрева обычно достигает 80 – 90%. В начале процесса нагрева глубина проникновения тока в углеродистую сталь увеличивается незначительно из-за увеличения электрического сопротивления металла с ростом температуры. С дальнейшим повышением температуры (около 550 С 0 ) магнитная проницаемость стали все больше и больше уменьшается, а при переходе температуры заготовки через точку Кюри (для стали ≈750 С 0 ) сталь теряет свои магнитные свойства. На второй стадии, когда температура заготовки выше точки Кюри, магнитная проницаемость стали резко падает до единицы. В результате глубина проникновения тока значительно увеличивается (до 15 раз), поверхностный эффект ослабевает, что приводит к понижению электрического сопротивления, а следовательно, и мощности, поглощаемой загрузкой. Вследствие этого эффективность процесса нагрева снижается [16, 17]. Для создания хорошо работающей установки необходимо выявить путем моделирования индукционных процессов ее наилучшие параметры. Критерием для выявления таких параметров является электрический коэффициент полезного действия, который в случае цилиндрического тела может быть найден по выражению: g D F l D l D P P P э ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ Δ ⋅ ⋅ ⋅ + = + = 2 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 ) ( 1 1 ρ μ μ ρ η , (3.4) где P 2 и Р 1 – мощность в загрузке и мощность потерь в индукторе, Вт; D 1 , l 1 и D 2 , l 2 – диаметр и длина индуктора и загрузки, м; ρ 1 и ρ 2 – удельное сопротивление материала индуктора и загрузки, Ом·м; g – 229 коэффициент заполнения индуктора и F(D 2 /Δ) – поправочный коэффициент, зависящий от относительных размеров поперечного сечения загрузки. В зависимости от частоты тока отношение между диаметром загрузки D 2 и глубиной проникновения Δ изменяется, что сильно влияет на процесс нагрева. Если Δ очень мала по сравнению с диаметром загрузки D 2 , электрический коэффициент полезного действия весьма высок. С увеличением глубины проникновения или с понижением частоты коэффициент полезного действия уменьшается. При этом распределение температуры по сечению загрузки становится более равномерным [7, 18]. Таким образом, за счет выбора компромиссной частоты, дающей удовлетворительные результаты в отношении расхода электроэнергии для широкого диапазона температур и позволяющей достигать требуемой температуры с заданным температурным перепадом (обычно 50 С 0 ), удается добиться 70-80% коэффициента полезного действия при нагреве стали до температур выше точки Кюри и немагнитных материалов с большим удельным сопротивлением, близким к удельному сопротивлению ферромагнитной стали (немагнитная сталь, никель, титан) [18, 19, 20]. Для немагнитных металлов ( μ =1) характерен слабо выраженный поверхностный эффект. В сочетании с высокой удельной электропроводностью таких металлов это приводит к значительному снижению мощности, потребляемой загрузкой, а соответственно, невысокому коэффициенту полезного действия процесса сквозного нагрева цветных металлов [7, 21, 22]. На практике для наиболее распространенных диаметров загрузок с низким удельным сопротивлением (алюминий, латунь, медь) от 125 до 300 мм используют частоту 50 Гц, при которой глубина проникновения тока большая. Фактически нагреватели промышленной частоты применяются для алюминиевых заготовок диаметром от 50 мм. Преимущества работы на промышленной частоте часто превышают неэффективность, связанную с низким КПД. Тем не менее, для каждой установки тщательно проверяется, не может ли преобразовательное оборудование повысить производительность и оказаться выгодным [18, 22]. Опыт разработки и эксплуатации установок индукционного нагрева цилиндрической загрузки позволяет сформулировать рекомендации по выбору частоты нагрева, в зависимости от материала и диаметра загрузки [9, 23]. Указанная зависимость частоты индукционного нагревателя от материала и диаметра загрузки приведена в табл. 3.5. 230 Таблица 3.5 Зависимость частоты нагревателя от свойств загрузки Матери ал Сталь магнитная Сталь немагнитная Латунь Медь Алюминий Рекоменду емая частота, кГц Температ ура, ° С 1200 700 800 850 500 Диаметр загрузки , мм 150–500 27–75 110– 50– 50– 0,05 60–250 8–35 35–440 22–800 22–800 0,5 40–175 6–25 30–300 15–600 15–600 1,0 30–100 3,5–14 15–180 9–350 9–350 2,4 20–85 2,5–10,5 10–130 7–260 7–260 4,0 14–60 2–8,5 8–100 5–180 5–180 8,0; 10,0 Однако важное для практики влияние частоты на КПД не является единственно определяющим при индукционном нагреве. Наибольшее влияние на электрический КПД оказывают физические свойства нагреваемых материалов и материала индуктора. Из выражения (3.4) становится ясно, почему индукторы обычно выполняют из немагнитного материала ( μ 1 = 1,0) с минимальным удельным электросопротивлением. В этом случае, особенно при нагреве магнитных материалов ( μ 2 >> 1,0) с высоким удельным электросопротивлением ( ρ 2 >> ρ 1 ) достигается высокое значение электрического КПД и, наоборот, нагрев загрузки из немагнитного металла с низким удельным сопротивлением (например, золота, серебра, меди и т. п.) энергетически невыгоден, так как при ρ 2 < ρ 1 КПД не может быть выше 50%, в то время как при нагреве магнитной стали в медном индукторе он может достигать значений, превышающих 90% /24, 25 ,26/. Зависимости КПД индуктора от рода нагреваемого материала приведены в таблице 3.6. Таблица 3.6 Характерные значения КПД индуктора Материал Температура нагрева, ° С КПД Сталь углеродистая 1250 0,75 Сталь углеродистая 700 0,90 Сталь нержавеющая 1250 0,70 231 Латунь 800 0,50 Медь 900 0,40 Алюминий 500 0,40 Несмотря на довольно низкий КПД при нагреве цветных металлов индукционный метод наиболее широко распространен по сравнению с другими методами, поскольку обладает такими преимуществами как высокое качество нагрева, уменьшение расхода металла, возможность автоматизации процесса, улучшение условий труда и другими [18, 22, 26]. 3.4.4 Классификация индукционных нагревателей для сквозного нагрева по принципу действия По принципу действия индукционные нагреватели разделяют на нагреватели методического (полунепрерывного), периодического и непрерывного действия (рис. 3.40) [50, 89, 105]. В серийном производстве, когда велики партии однотипных заготовок, для нагрева заготовок большого диаметра (свыше 130 мм) обычно используют нагреватели методического действия. 0 400 200 600 1000 800 1200 1400 1600 0,50 0 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 t, С ° Al Mg Pt Cu Латунь70 Сталь Ni Ag Au Pb Zn кВт час/кг W уд , T Ц 50 Б 1200 1000 800 600 400 200 0 350 100 150 200 250 300 A t, c T, C 0 T 0 T 0 T Ц T Рис. 3.39. Характеристики поглощения энергии различными материалами Рис. 3.40. Изменение температуры нагрева стальной магнитной заготовки в процессе обычного (А) и ускоренного индукционного нагрева (Б) Общий вид методического индукционного нагревателя средней частоты для нагрева мерных заготовок показан на рис. 3.41, а . Заготовки 1 из бункера 2 с отсекателем 4 поступают на исходную позицию перед входом в индуктор 3 232 Перемещаемый с помощью привода транспортер с прижимными роликами 5 вводит холодную заготовку в индуктор, продвигая одновременно на один шаг весь находящийся в индукторе ряд заготовок. Последняя нагретая заготовка выходит из индуктора, поступая на разгрузочный лоток /21/. Нагрев заготовок до конечной температуры в нагревателях полунепрерывного действия осуществляют по мере их продвижения в индукторе с шагом, равным длине заготовки. При введении в индуктор очередной холодной заготовки, уже нагретая до заданной температуры заготовка, выталкивается из индуктора. В методических нагревателях ускоренного индукционного нагрева для обеспечения режима, индуктор должен иметь переменный шаг навивки. Практически шаг намотки меняется ступенчато. Число ступеней не превышает четырех, и часто ограничивается тремя, а в некоторых случаях двумя ступенями. Температура поверхности загрузки поднимается до конечного значения в течение 10 – 30 % общего времени и далее почти не меняется. При этом необходимо, чтобы на каждом участке размещалось целое число заготовок. Перебои в работе прессового оборудования являются серьезной трудностью для работы методического индукционного нагревателя. В отличие от печей с внешним источником тепла, где максимальная температура заготовок не превышает заданной температуры в камере печи (установки с резистивным или газовым нагревом), в случае высоко интенсивного индукционного нагрева при прекращении выдачи нагретых заготовок, необратимо нарушается температурный режим в находящемся в индукторе ряде заготовок. Это приводит к тому, что при относительно длительных паузах приходится полностью освобождать индуктор от частично нагретых заготовок и начинать работу с запуска установки на холодных заготовках. При запуске методического индукционного нагревателя для получения номинального электрического режима индуктор полностью загружают слитками, которые в заданном темпе продвигаются вдоль нагревателя. Однако все слитки, кроме последнего, не могут быть использованы для обработки давлением, так как они не прошли полного цикла нагрева. Эти слитки называют балластными и применяют лишь для запуска установки. Аналогично, по окончании работы установки не используют находящиеся в индукторе нагретые до различной температуры заготовки [43]. Этих недостатков лишены индукционные нагреватели периодического действия (рис. 3.41, б ). Основные элементы в них такие же, как и в нагревателях методического действия. Но такие нагреватели удобнее при мелкосерийном производстве, когда часто требуется переналадка режима нагрева из-за меняющихся размеров заготовок. Кроме того, они допускают 233 поддержание нагреваемой заготовки в режиме «ожидания» при перерывах в работе технологического оборудования. При нагреве особо крупных слитков в периодических установках легче выполнить теплоизоляцию и механизмы перемещения загрузки. Нагревательные установки периодического действия обычно состоят из нескольких отдельных ИН, в каждом из которых находится один слиток, и объединены общей системой механизации, питания и управления. Нагретые слитки выдаются к обрабатывающему оборудованию из нагревателей поочередно. Нагреватели непрерывного действия применяют для нагрева слитков из стали, цветных металлов и сплавов под обработку давлением (рис. 1.5, в ). В них заготовка 1 протягивается через индуктор 3 с помощью тянущих клетей 4 и прижимных роликов 5 . Нагреватели непрерывного действия, обеспечивают наиболее высокую производительность, полную загрузку источника питания во времени и стабильность электрического режима. Преимуществом таких нагревателей является возможность нагрева заготовок практически неограниченной длины. 3 1 4 5 5 2 а) 3 1 4 5 5 2 б) |