Устройство нагрева металлических изделий

Заявляемая полезная модель относится к области высокочастотной электротехники, а именно к индукционному нагреву металлических изделий токами высокой частоты.
Известно техническое решение для нагрева изделий токами высокой частоты (ВЧ), содержащее катушку (индуктор) определенного диаметра с заданным числом витков, причем на катушку подается напряжение заданной частоты. (А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Проектирование и изготовление - Гос. науч.-техн. издательство Машиностроительной и судостроительной литературы, М., Л: 1954, стр. 246, рис. 154).
Известны и другие виды устройств нагрева различных конфигураций:
1) Заявка: 2011109591/07, 14.03.2011. Индуктор для нагрева мерных заготовок Опубликовано: 10.07.2011 Бюл. №19. Особенностью данного устройства является индукционная катушка, выполненная из полой медной трубки прямоугольного сечения, намотанной в два слоя, причем верхний слой индукционной катушки имеет, по меньшей мере, два разрыва поля намотки, расположенных симметрично от центра индуктора.
2) Заявка: 2007137302/22, 08.10.2007. Опубликовано: 20.02.2008 Бюл. №5. Индуктор для закалки цилиндрических поверхностей переменного профиля с галтелью для нагрева и закалки цилиндрических деталей с галтелью.
Недостатком известных устройств нагрева является невозможность обеспечения требуемой неравномерности напряженности электромагнитного поля в электромагнитной системе по длине нагреваемого изделия, что при некоторых условиях не позволяет добиться точности формирования в нагрузке необходимого, наперед заданного, неоднородного температурного поля в статическом состоянии.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является двойной спиральный индуктор в виде двух соосных катушек, изготовленных из медных профилированных трубок прямоугольного сечения определенного размера с заданным числом витков CN206596258 (U) - 2017-10-27. На указанные катушки подают напряжения различных частот. В соответствии с законом электромагнитной индукции для получения заданной разницы температур по глубине нагреваемого стержня, помещаемого внутрь соосных катушек и получения требуемого качества обработки нагреваемого стержня, его нагрев производят одновременно с помощью двух катушек, что приводит к увеличению эффективности метода нагрева по сравнению с традиционным индукционным нагревом.
Намотка катушек индуктора требуемого размера с определенным количеством витков производится медной профилированной трубкой прямоугольного сечения с заданным расстоянием между ними (с заданным шагом намотки). Другими словами - намотка индуктирующих проводов производится с требуемым диаметром намотки и количеством витков с определенным расстоянием между витками (с заданным шагом намотки). В этом случае две катушки пространственно размещаются на одной оси, а витки катушек чередуются по длине индуктора.
Шаг намотки и количество витков индуктора определяются режимом и условиями нагрева. На два входа управления первой катушки подается переменное напряжение определенной частоты, так же как и на два входа управления второй катушки. Частоты переменного напряжения, подающегося на катушки индуктора различны. При этом через полые трубки протекает охлаждающая жидкость. Недостатком прототипа является невозможность обеспечения достаточной неравномерности напряженности электромагнитного поля по длине нагреваемого изделия, что в ряде случаев не позволяет добиться точности формирования в детали необходимого неоднородного, наперед заданного температурного поля. Это неоправданно сужает как его область применения, так и расширение функциональных возможностей.
Задача состоит в том, чтобы получить в нагреваемом изделии переменное электромагнитное поле, с неравномерной напряженностью электромагнитного поля по длине изделия. Это позволяет добиться точности формирования в детали необходимого, неоднородного, наперед заданного, профиля температурного поля и требуемого режима нагрева изделия в статическом состоянии, позволяющего расширить его область применения и функциональные возможности.
Техническим результатом решения данной задачи является расширение ее областей применения и функциональных возможностей нагрева изделия, помещаемого внутрь заявляемого устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство нагрева содержит первую катушку, выполненную в виде полой медной трубки прямоугольного сечения, имеющую два входа управления, предназначенных для подачи переменного напряжения определенной частоты. В устройство дополнительно введена вторая обмотка, выполненная также из полой медной трубки, но круглого сечения, имеющая два входа управления, предназначенных для подачи переменного напряжения частотой отличной от частоты напряжения первой катушки. Обе катушки имеют одинаковые диаметры намотки, шаг намотки и количество витков, при этом периметры трубок круглого и прямоугольного сечения равны.
В связи с тем, что периметры трубок, из которых выполнены катушки, одинаковы и, следовательно, объем охлаждающей жидкости протекающей по трубкам также одинаковый, условия охлаждения катушек остаются неизменными.
На фиг. 1 представлено устройство нагрева металлических изделий. Для достижения поставленной цели устройство (см. фиг. 1) выполнено из двух различных соосно-расположенных катушек. Катушки изготовлены из полой медной трубки прямоугольного сечения и полой медной трубки круглого сечения и обозначены: позиция 1 - первая катушка; позиция 2 - вторая катушка; позиция 3 - нагреваемое изделие.
Устройство состоит из первой катушки - 1, выполненной в виде полой медной трубки прямоугольного сечения, имеющей два входа управления Вх.упр.1, предназначенных для подачи переменного напряжения и второй катушки - 2, выполненной из полой медной трубки круглого сечения, также имеющей два входа управления Вх.упр.2, предназначенных для подачи переменного напряжения частотой отличной от частоты напряжения первой катушки; при этом обе катушки имеют одинаковые диаметры намотки, шаг намотки и количество витков, а катушки пространственно размещаются на одной оси, причем витки катушек чередуются по длине устройства нагрева.
Устройство работает следующим образом. На первые входы управления первой катушки 1 устройства нагрева Вх.упр.1 подается напряжение пониженной частоты, которое согласно законам электромагнитной индукции нагревает изделие 3 в соответствии с частотой и током, протекающем по виткам катушки 1. На вторые входы управления второй катушки 2 устройства нагрева Вх.упр.2 подается напряжение повышенной частоты, которое согласно законам электромагнитной индукции также нагревает изделие в соответствии с частотой и током, протекающем по виткам катушки 2. При этом напряжение повышенной частоты катушки 2 в соответствии с глубиной проникновения тока нагревает, в основном, верхние слои изделия, а напряжение с пониженной частотой на первой катушки 1 прогревает, в соответствии с глубиной проникновения тока, более глубокие слои нагреваемого изделия 3.
Помимо этого наличие различной формы поперечного сечения трубок, из которых выполнены катушки, позволяет за счет эффекта близости и различия их формы получать различное распределение тока на их активных поверхностях, находящихся в непосредственной близости к поверхности обрабатываемой детали 3. Использование трубки круглого сечения при изготовлении катушки 2, позволяет существенно уменьшить ширину полосы нагрева на поверхности детали 3 из-за перераспределения плотности тока в индуктирующем проводе на основании влияния эффекта близости без ухудшения условий ее охлаждения. Это способствует более локальному и интенсивному проведению нагрева детали 3 на повышенной частоте тока. Уменьшение ширины полосы нагрева детали не требует изменения размеров поперечного сечения индуктирующего провода и не приводит к ухудшению условий его охлаждения, так как периметр индуктирующих проводов катушек одинаков, равно как и теплоотвод от них.
Таким образом, имеется суммарный, одновременный нагрев изделия 3 токами с двумя различными частотами при различных удельных мощностях. Вариация указанных выше параметров позволяет добиться требуемого профиля температуры нагрева отдельных участков детали 3, а, значит, и расширить область его применения и функциональные возможности.
Более того, изменяя частоты тока на двух различных входах двух катушек, а также уровней напряжений на них добиваются требуемого распределения плотности тока и профиля температурного поля в нагреваемом изделии.
Таким образом, за счет выполнения устройства нагрева в виде двух соосно-расположенных катушек, изготовленных из трубок различного профиля, и подачи на них напряжений различного уровня и различных частот удается получить в нагреваемом изделии сложное переменное электромагнитное поле, неравномерной напряженности по длине изделия в статическом состоянии. Это позволяет добиться в нагреваемой детали формирования необходимого профиля температурного поля, а также расширяет область применения заявляемого устройства и расширяет его функциональные возможности.