Параметры индукционного нагрева заготовок

Глубину слоя металла, в котором протекает ток, определяют из соотношения

где Δ - глубина проникновения тока в см; ç  - удельное сопротивление материала проводника в ом·см; μ - магнитная проницаемость материала проводника в гс/э; ƒ - частота тока в гц.

Для холодной низколегированной стали (15-20° С) Δ = 2/√ƒ; для горячей низколегированной стали  Δ = 60/√ƒ; для медного проводника при  40°  Δ = 7/√ƒ

С повышением температуры глубина проникновения тока в нагреваемую заготовку возрастает (табл. 5).

Таблица 5. Глубина проникновения тока в металл при разных частотах и температурах

К концу индукционного нагрева заготовок наблюдается некоторая разность температур поверхности заготовки и ее центра, тем большая, чем быстрее ведется нагрев. Считают допустимым, чтобы перепад температур к концу нагрева составлял 100-150° С. Следует, однако, учесть, что при переносе заготовки в ковочную машину температура по ее сечению достаточно выравнивается. Время, необходимое для сквозного нагрева заготовки до 1250°С на  частотах  1000,  2500  и 8000 гц при заданной допускаемой неравномерности температуры по сечению можно определить по опытным графикам (рис. 1).

Рис. 1. Минимальное время нагрева стальной заготовки до 1250° С в зависимости от ее диаметра и частоты тока. Разность температур между поверхностью и центром заготовки 100-150° С

При проектировании установок и выборе оборудования следует по возможности выбирать наименьшее время нагрева заготовок и наименьшую допускаемую частоту. В противном случае возрастают габариты установки (при методическом нагревателе) или снижается ее производительность (при нагревателе периодического действия), а также образуется больше окалины, увеличиваются потери тепла при нагреве.

При пользовании графиками рис. 1 необходимо иметь в виду следующее. Зависимости, приведенные на них, найдены экспериментально в условиях работы обычных методических индукторов с равномерной намоткой витков, когда:

• напряженность магнитного поля индуктора на всех стадиях нагрева заготовки постоянна;
• удельная мощность, развиваемая в заготовке, относительно мала и находится в пределах 0,05—0,10 квт/см2;
• температура поверхности заготовки к концу цикла нагрева отличается от температуры центра относительно мало (на 100-150° С); 
• температура поверхности заготовки в конце цикла нагрева незначительно превосходит необходимую конечную температуру нагрева (не более чем на 30-50° С).

Рост температуры заготовки на поверхности и в центре схематически изображен на рис. 2.

Рис. 2. Схема роста температур на поверхности и в центре заготовки: а - нагрев до 1200° С в методическом индукторе с равномерным шагом витков; б - нагрев до 1200° С в методическом индукторе для ускоренного индукционного нагрева с неравномерным шагом витков: в - нагрев до 1000° С  с  перегревом  поверхности; 1 - температура  поверхности  заготовки; 2 - температура центра заготовки; Т - температура нагрева в °С; τ1, τ2 , τ3 - время нагрева заготовки

Применением неодинакового шага витков в разных зонах индуктора или соответствующим выбором электрического режима можно достигнуть роста температур на поверхности и в центре заготовки в соответствии с кривой б (рис. 2). Для такого «ускоренного» индукционного нагрева требуются методические индукторы специальной конструкции. Зона индуктора, в которой поверхность заготовки нагревается от начальной температуры до ковочной (1200-1250° С), выполняется с более плотной намоткой витков, чем зона индуктора, в которой температура поверхности заготовки остается практически постоянной и происходит интенсивный нагрев ее сердцевины.

Обычно намотка индуктора составляется из 3-4 секций, имеющих разный шаг намотки.

Ускоренный индукционный нагрев дает возможность:

• сократить время нагрева заготовок в 1,5-2 раза и соответственно уменьшить длину индукторов;
• уменьшить габариты и производственную площадь, занимаемую нагревателями, доводя удельный съем нагретого металла до 0,7-0,8 т/ч с 1 м2 площади пода (при обычном индукционном нагреве от 0,2-0,5 т/ч·м2);
• увеличить на 5-7% к. п. д. индуктора за счет уменьшения тепловых потерь, что позволяет экономить 30-40 квт·ч энергии на каждой тонне нагретых заготовок;
• довести производительность индукторов до 3 т/ч с одного ручья и заменить многоручьевые нагреватели одноручьевыми, что облегчает автоматизацию процессов нагрева и штамповки;
• сократить активную длину индукторов, что уменьшает потери стали на окалину до 0,1-0,2%, т. е. в 1,5-2 раза по сравнению с обычным индукционным нагревом.

Ускоренный индукционный нагрев целесообразен во всех случаях, когда производительность нагревательного устройства превышает 0,8 т/ч. Минимальное время, необходимое при ускоренном индукционном нагреве заготовок может быть выбрано по кривым (рис. 3). Применение специализированных индукторов для ускоренного нагрева рационально также в автоматических нагревательно-ковочных агрегатах, в которых обычно требуется минимальная длина индукторов. Обработка давлением в них производится за весьма короткое время, поэтому заготовки нагревают обычно лишь до 1000° С. Рис. 3. Минимальное время ускоренного индукционного нагрева стальных заготовок до 1250° С в зависимости от их диаметра и частоты тока при конечном перепаде температуры по сечению заготовки 100°. Частота тока в гц: 1 - 500; 2 - 1000; 3 - 2500; 4 - 8000; 5 - радиочастоты

Для максимального увеличения скорости нагрева заготовок диаметром 20-40 мм необходимо режим нагрева выбирать исходя из следующих положений:

1. Удельную мощность, развиваемую в нагреваемой заготовке, принимать в пределах 0,5-1 квт/см2.
2. При необходимой конечной температуре нагрева 1000° С применять такой режим, при котором температура поверхности заготовки в конце цикла нагрева составляет 1200-1250° С. Температура центра заготовки при этом обычно меньше температуры поверхности на 400—600° С. За время переноса нагретой заготовки из индуктора в высадочную машину (обычно 2- 3 сек) произойдет выравнивание температуры по сечению заготовки до 1000°С (см. кривые в на рис. 2).

Таким образом, при скоростных режимах нагрева характерно применение значительных удельных мощностей (в 5-6 раз больших, чем по режимам, соответствующим рис. 1) и, следовательно, высоких температурных градиентов между поверхностью и центром заготовки.

Выбор минимальных продолжительностей нагрева в соответствии с приведенными положениями позволяет рекомендовать следующее минимальное время нагрева до 1000°С.

Ориентировочное определение времени индукционного нагрева заготовок при частоте 50 гц можно производить при помощи данных табл. 6.

Таблица 6. Время в сек индукционного нагрева заготовок при частоте 50 гц

При уменьшении диаметров заготовок существенно снижается к. п. д. индуктора, работающего на частоте 50 гц, что обусловливает уменьшение удельной мощности, развиваемой в заготовке, и, следовательно, увеличение времени нагрева.

Получение на частоте 50 гц напряженности магнитного поля индуктора более чем 10 000 э затруднительно, поэтому можно считать, что для нагрева заготовок диаметром 100-200 мм необходимо 4-8 мин.

Частоту нагревающего тока можно выбирать, руководствуясь следующими данными:

Наиболее часто для индукционного нагрева используют машинные генераторы частотой 1000-2500 гц.

Основные энергетические показатели индукционного нагрева приведены в табл. 7.

Таблица 7. Удельные энергетические показатели сквозного индукционного нагрева стали под ковку и штамповку

При частотах 1000-8000 гц удельный расход электроэнергии сильно зависит от степени использования генератора во времени. При непрерывной загрузке генератора расход энергии близок к 400 квт·ч на 1 т нагретых заготовок. Когда генератор значительную часть времени работает без нагрузки (вследствие перерывов в работе ковочного оборудования), расход энергии достигает 500-600 квт·ч и даже более на 1 т заготовок.

Для выбора мощности высокочастотного генератора и мощности питающей сети с достаточной для практики точностью можно пользоваться соотношениями

Р_г = К_гq; P_г = K_cq,

где Р_г - мощность высокочастотного генератора в квт; Р_с - мощность питающей электросети в кет; q - вес заготовок, нагреваемых за 1 ч до ковочной температуры (1200° С), в кг; К_г - коэффициент, характеризующий к. п. д. передачи энергии от клемм генератора до заготовки; К_с - коэффициент, характеризующий к. п. д. передачи энергии от сети 50 гц до заготовки (табл. 8).

Таблица 8. Значения коэффициентов для определения мощности генераторов и питающей сети частотой тока 50 гц

Для заготовок диаметром больше 60 мм начинают применять комбинированный нагрев на двух частотах; до точки Кюри (~770° С) на частоте 50 гц и до ковочной температуры (1200-1250°С) на частоте 1000 или 2500 гц. При этом установленная мощность высокочастотных генераторов примерно н 2 раза, а удельный расход электроэнергии примерно на 20% ниже.

Мощность отдельных элементов установки, необходимую для ее питания мри нагреве на двух частотах, можно ориентировочно выбрать на основании следующих соотношений:

• индуктора при нагреве до точки Кюри (~770°С):
     Р'_с = 0,2q квт
  где q - вес в кГ нагреваемых заготовок за 1 ч;
• генератора, питающего индуктор при нагреве от 770° С до 1200-1250° С:
     Р_г = 0,18q квт,
• сети, питающей привод генератора повышенной частоты:
    Р"_с = 0,2q квт

Общая мощность сети, питающей установку для нагрева на двух частотах:

Р_с = 0,4q квт