Индуктор для нагрева трубчатых металлических заготовок

ИНДУКТОР для НАГРЕВА ТРУБЧАТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
Настоящая полезная модель относится к области электротермии, в частности к области индукционного нагрева, и предназначается для сквозного нагрева трубчатых металлических заготовок произвольного сечения с толщиной стенки 0,25 - 20 мм и длиной до 500 мм, например, под термические операции отжига, закалки, отпуска, а также под пластическую деформацию.
Известны различные конструкции индукторов для нагрева трубчатых заготовок. Наибольшее распространение из них получили индукторы цилиндрического или овального типов, у которых витки намотаны по спирали (см.например Слухоцкий А.Е.. Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., Энергия, 1974 г.. с.230251).
Недостатком известных конструкций является сложность обеспечения равномерного нагрева заготовок, связанного с размерами и числом витков индуктора, требующих согласование с выходными параметрами генератора. Так, для нагрева трубчатой заготовки толщиной  0,25 мм и длиной 500 мм при частоте тока 66 кГц индуктор должен иметь  5 витков при щирине витка  100 мм. Это приводит к неравномерности распределения тока по ширине витка и, соответственно, к неравномерности нагрева по длине заготовки, а также к неравномерности нагрева концов заготовки по периметру за счет наклона витков к образующей геометрической фигуры индуктора.
Известен также индуктор для нагрева под закалку элементов распределительного вала, в котором витки образованы кольцами, соединенными водоохлаждаемыми перемычками (см. Демичев А.Д.
2003127265
НИМ
-J-- о  г  г 6 5
МПЮ- Н05В 6/36
Поверхностная закалки индукционным способом. Библиотечка высокочастотника термиста, вып. 2, Ленинград, «Машиностроение, 1979, С.44). В известной конструкции витки расположены перпендикулярно к образующей индуктора, в связи с чем можно выбрать такое заглубление конца заготовки в индуктор, при котором нагрев будет равномерным.
Недостатки известного индуктора заключаются в сложности изготовления водоохлаждаемых перемычек, соединяющих витки, снижении КПД индуктора из-за потерь в перемычках и появлении пятен недогрева в местах расположения перемычек.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту, т.е. прототипом, является многовитковой закалочный индуктор по авт.св.СССР № 111788, МПК C21d 29/03, 1955 г. Известный индуктор выполнен в виде цилиндрической спирали из двух охлаждаемых водой трубок, одна из которых служит спрейером, выполнена из меди и образует параллельн то токопроводящую ветвь индуктора. В таком индукторе ширина витка увеличивается в два раза, обеспечивая равномерный нагрев заготовок. Кроме того, конструкция более проста в изготовлении.
Однако, в случае использования известного индуктора для нагрева трубчатых металлических заготовок произвольного сечения с толщиной стенки 0,25 - 20 мм и длиной до 500 мм за счет постоянного контакта между ветвями индуктора перераспределение тока по щирине параллельных витков ведет к неравномерности нагрева по длине заготовки (полосатый нагрев), а за счет наклона витков к образующей геометрической фигуре индуктора - к неравномерности нагрева концов заготовок как по отношению к ее средней части, так и непосредственно по периметру ее концов.
1
обеспечение равномерного нагрева по длине трубчатых металлических заготовок с толщиной стенки 0,25 - 20 мм и длиной до 500 мм.
Поставленная задача достигается тем, что в индукторе для нагрева трубчатых металлических заготовок, выполненном в виде спирали из двух охлаждаемых водой трубок, образующих параллельные токопроводящие ветви при равной длине каждой ветви, согласно предлагаемой полезной модели параллельные ветви намо таны с постоянным относительно друг друга зазором.
Другое отличие предлагаемого устройства заключается в том, что начала и концы параллельных ветвей сдвинуты между собой на 180°.
Еще одно отличие заключается в том, что индуктор снабжен соосно установленным с ним механизмом центрированного размещения и возвратно-поступательного перемещения заготовки.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый индуктор для нагрева трубчатых металлических заготовок отличается наличием нового механизма, формой выполнения и взаимным расположением составляющих его элементов.
Поиск, проведенный по Санкт-Петербургскому территориальному патентному фонду, показал, что в настоящее время не известен индуктор для нагрева трубчатых металлических заготовок, обладающий такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемый. Это позволяет сделать вывод, что заявляемая конструкция соответствует критерию полезной модели новизна.
Намотка токопроводящих ветвей с постоянным относительно друг к другу зазором позво.ляет распределить ток в каждом витке равномерно по его щирине и, тем самым, обеспечить равномерное распределение напряженности магнитного поля по длине заготовки, т.е. обеспечить равномерный нагрев без учета краевого эффекта. Сдвиг начала и концов ветвей на 180°относительно друг друга при
равной длине каждой ветви позволяет равномерно распределить напряженность магнитного поля на концах заготовок, устранив эффект наклона витков к образующей геометрической фигуры индуктора, что обеспечивает равномерный нагрев концов заготовок по периметру. Механизм возвратно-поступательного перемещения заготовки позволяет сгладить концевой эффект, при котором происходит недогрев концов магнитных заготовок за счет стягивания тока в ее центральную часть и перегрев концов немагнитных заготовок за счет стягивания тока на их концы. Для магнитной заготовки возвратно-поступательное перемещение позволяет ускорить выравнивание температуры до точки магнитных превращений по ее длине, а для немагнитной заготовки при возвратно-поступательном движении часть времени она будет находиться вне зоны индуктора, что приводит к снижению температуры на ее конце и обеспечит равномерный нагрев по ее длине. Наличие механизма центрированного размещения заготовки относительно оси индуктора обеспечивает равномерность зазора между индуктором и заготовкой, что также приведет к равномерному распределению магнитного поля на всей поверхности заготовки и обеспечит ее равномерный нагрев. Кроме того, этот механизм позволяет обеспечить равномерный нагрев заготовок других диаметров за счет равномерного распределения напряженности магнитного поля по поверхности заготовки. Таким образом, все отличительные признаки индуктора в совокупности с ограничительными позволяют обеспечить повыщение равномерности нагрева заготовки.
Вышеизложенное доказывает, что заявляемое техническое рещение может быть щироко использовано для сквозного индукционного нагрева трубчатых металлических заготовок произвольного сечения с толщиной стенки 0,25 - 20 мм и длиной до 500 мм, например, под термические операции отжига, закалки, отпуска, а также под пластическую деформацию, т.е. оно соответствует критерию
полезной модели промышленная применимость.
Предлагаемая полезная модель схематически поясняется чертежами, где на:
-фиг. 1 изображен общий вид катушки индуктора;
-фиг.2 - вид по стрелке А на фиг. 1;
-фиг.З - электрическая схема включения индуктора, где Ur - выходное напряжение генератора высокой частоты;
-фиг.4 - индуктор с механизмом центрированного размещения и возвратно-поступательного перемещения заготовки.
Заявляемый индуктор 1 для нагрева трубчатых металлических заготовок содержит две параллельные водоохлаждаемые ветви 2 и 3, намотанные с постоянным зазором d в виде спирали на фиг. 1 сплошной линией показана лицевая часть катушки индуктора, а пунктиром - тыловая (противополож-ная) часть  и имеющие равную длину. Начало 4, 5 каждой ветви и концы (на чертеже не показаны) ветвей сдвинуты относительно друг друга на 180°. Индуктор 1 подводами 6 и 7 электрически связан с генератором высокой частоты (на чертеже не показан). Стрелками на фиг.2 обозначено мгновенное направление тока. Соосно с индуктором 1 установлен механизм 8 , обеспечивающий центрирование обрабатываемой трубчатой заготовки размещенными на подвижном штоке 9 упорными элементами 10. Ось штока 9 совпадает с осью индуктора 1, а механизм 8 обеспечивает ему (штоку) возвратно-поступательное движение. Упорные элементы 10 - сменные в зависимости от диаметра и толщины нагреваемой заготовки 11.
Индуктор работает следующим образом.
В исходном положении шток 9 выведен из индуктора 1 (механизм вывода не показан). На щток устанавливаются упорные элементы 10, обеспечивающие центрирование заготовки 11 относи /c Mf
5
тельно оси индуктора. На шток 9 с упорными элементами 10 надевается подлежащая нагреву заготовка. Шток с заготовкой вводится в индуктор и один его конец укрепляется в механизме 8, который обеспечивает им возвратно-поступательное движение. Амплитуда и частота движения подбирается экспериментально для каждой заготовки 11.
При подаче от генератора высокой частоты напряжения Ur на индуктор переменный ток, протекающий по виткам, имеет одинаковое значение в каждом из его витков. Благодаря одинаковой длине ветвей 2 и 3, а, следовательно, и сопротивления, в индукторе создается равномерное магнитное поле, обеспечивающее равномерный нагрев заготовки 11. При сдвиге начала и конца параллельных ветвей на 180° на концах индуктора также создается равномерное магнитное поле, которое обеспечивает равномерный нагрев концов заготовки по периметру. Благодаря осуществляемому механизмом 8 возвратно-поступательному движению нагреваемой заготовки в индукторе, удалось устранить явление концевого эффекта (перегрева).
Предлагаемый индуктор обеспечивает высокое качество нагрева (равномерность) трубчатых металлических заготовок с толщиной стенок от 0,25 до 200 мм и длиной до 500 мм. При толщинах стенок менее 0,25 мм их прочность становится низкой и при нагреве начинают образовываться их деформационные изменения. При толщинах стенок более 20 мм время их сквозного нагрев|а становится так велико, что приводит к резкому падению производительности и снижению КПД за счет увеличения тепловых потерь. При длинах заготовок более 500 мм становится затруднительным согласование индуктора с генератором, а число витков сокращается и не позволяет получить эффект равномерного нагрева ее концов по периметру при сдвиге начала и концов ветвей на 180°.
(.// 6