ИНДУКТОР ДЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО НАГРЕВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТИТАНОВЫХ ЗАГОТОВОК РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНЫ

Заявленная полезная модель относится к устройствам индукционного нагрева и может быть использована в любой отрасли промышленности для равномерного нагрева цилиндрических заготовок из титана и его сплавов различной длины.
Известно, что нагрев цилиндрической заготовки можно обеспечить в одном сплошном овальном индукторе, длина которого больше длины нагреваемой детали [Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Ленинград, Энергия, 1974. C.178].
Недостатком такого индуктора является то, что при нагреве в одном индукторе заготовок различных длин и диаметров велика вероятность сильной неравномерности температуры по длине заготовки, в частности перегрева торцов заготовки, так как степень выраженности краевых эффектов напрямую зависит от величины заглубления детали в индукционную катушку.
Для обеспечения равномерного нагрева заготовки индуктор может быть встроен в производственную линию с последующим выравниванием температуры заготовки в печи сопротивления.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является индукционная установка для нагрева длинномерных изделий различной длины с возвратно-поступательным движением заготовки. Такой нагреватель состоит из нескольких индукторов, соосно и последовательно расположенных вдоль оси с межиндукторными зазорами, в которых расположены элементы, обеспечивающие поддержку и перемещение изделия [RU Патент №2333618, опубликованный 10.09.2008].
Установка с возвратно-поступательным движением может быть использована для прецизионного нагрева заготовок различной длины из титана и его сплавов. Недостатком устройства такого типа является то, что в результате нагрева не удается избежать перегрева торцов нагреваемой заготовки, вследствие чего торцы приходится отрезать, что влечет за собой перерасход материала. Кроме того, в качестве загрузки могут служить только длинные заготовки, такие, чтобы конструкция нагревателя могла обеспечивать их беспрепятственное и свободное возвратно-поступательное движение. Нагрев коротких заготовок не может быть осуществлен в с помощью данной установки.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является возможность нагрева заготовок из титана и его сплавов различных длин и диаметров в одном индукторе. При этом необходимо обеспечить отсутствие брака вследствие перегрева торцов нагреваемых заготовок и, следовательно, повышение качества термообработки титановых заготовок различной длины в одном индукторе при условии обеспечения максимальной производительности установки.
Для получения указанного технического результата индуктор для периодического нагрева цилиндрических титановых заготовок различной длины содержит индуктирующий провод, выполненный в виде двухслойной катушки из медной трубки с выводами для подключения к источнику питания. Внутренний слой катушки изготавливается с постоянным шагом намотки. Внешний слой должен быть не сплошным, а иметь разрывы таким образом, чтобы образовались три области намотки: центральная область и две крайних, расположенных симметрично относительно центра, при этом длина центральной области намотки равна длине заготовки с минимальной длинной, а внутренние края крайних областей намотки расположены друг от друга на расстоянии равном длине заготовки с максимальной длинной.
Благодаря такому расположению разрывов второго слоя катушки производится распределение настила тока по длине заготовки таким образом, чтобы уменьшить влияние краевых эффектов индуктора и заготовки при изменении длины заготовки.
Процесс нагрева зависит от длины заготовки. В случае короткой заготовки нагрев полностью обеспечивается центральной областью намотки. Для длинной заготовки центральная область намотки обеспечивает нагрев только регулярной зоны заготовки. Нагрев же торцевых зон осуществляется за счет крайних областей намотки второго слоя катушки. Такая конструкция индуктора характеризуется тем, что средняя часть детали имеет наибольшую температуру, и это исключает перегрев и возможное расплавление торцов заготовки. В этом случае удобно управлять процессом нагрева по пирометру, который следует расположить в средней части индуктора.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где в качестве примера на фиг.1 представлен внешний вид индуктора для нагрева цилиндрических заготовок из титана и его сплавов длиной 500-750 мм и диаметром 165-275 мм. На фиг.1 изображен такой индуктор с помещенной в него заготовкой длиной 750 мм и диаметром 275 мм; на фиг.2 - продольный осевой разрез индуктора с заготовкой; на фиг.3 - распределение температуры при нагреве до 900°С заготовки из титана длиной 500 мм и диаметром 275 мм в двухслойном индукторе с разрывами внешнего слоя; на фиг.4 - распределение температуры при нагреве до 900°С заготовки из титана длиной 500 мм и диаметром 275 мм в двухслойном индукторе без разрывов внешнего слоя.
Индуктор (фиг.1 и 2) содержит индуктирующий провод, который выполнен в виде двухслойной катушки из медной трубки с профилем 18×14 мм и окном 14×10 мм для прохождения охлаждающей воды. Длина индуктора 1050 мм. Общее количество витков индуктора 88. Нижний слой индуктора (1) состоит из 50 витков с шагом намотки 20 мм. Верхний слой состоит из 38 витков: две области намотки (2), (3) по 7 витков с каждого торца индуктора и центральная область (4) из 24 витков в середине. Зона каждого разрыва составляет 6 витков, расположенных на расстоянии 7 витков от торца нагревателя. Таким образом, обеспечивается снижение краевых эффектов и повышение равномерности нагрева. Заготовка (5) располагается в индукторе симметрично относительно его середины. Для уменьшения тепловых потерь с поверхности заготовки внутри индуктора используется огнеупорная футеровка (6). В результате такая конструкция индуктора позволяет перераспределить источники электромагнитного поля по длине заготовки таким образом, чтобы при любой длине слитка в пределах 500-750 мм в случае управления процессом нагрева по пирометру, расположенному в средней части заготовки, был невозможен перегрев заготовки выше требуемой температуры, что, в свою очередь, устраняет риск возникновения брака.
Нагрев осуществляется следующим образом. В двухслойный индуктор, подключенный к источнику питания частотой 100 Гц, симметрично относительно его середины помещается заготовка из титана или титанового сплава. Затем происходит подача напряжения с источника питания на индуктор. Расположенный в центре индуктора пирометр измеряет в середине заготовки температуру на поверхности. При достижении требуемой температуры в этой точке нагрев прекращается. Гарантируется, что в данной точке заготовка будет иметь максимальную температуру вне зависимости от ее размеров, что исключает риск перегрева заготовки на некотором расстоянии от ее поверхности. Кроме того, легко обеспечивается контроль температуры нагреваемой заготовки. На фиг.3 и 4 соответственно изображены температурные поля заготовок длиной 500 мм и диаметром 275 мм при достижении 900°С в индукторах с двухслойной катушкой с разрывами и без разрывов соответственно. Для обеспечения лучшей равномерности температурного поля заготовка помещается в печь сопротивления. Время нахождения в печи сопротивления определяется только требуемой равномерностью нагрева. При этом обеспечивается максимальная производительность работы установки в целом.