ИНДУКТОР ДЛЯ НАГРЕВА МЕРНЫХ ЗАГОТОВОК

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой, в частности, может быть использована как индукционный нагреватель периодического действия, предназначенный для нагрева заготовок из титанового или хромоникелевого сплава.
Известен индукционный скважинный электронагреватель (см. патент 2198284 РФ, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/24. Индукционный скважинный электронагреватель - Опуб. 10.02.2003), содержащий: корпус, индукционную катушку, контактный узел с токоподводящим кабелем. Корпусом и одновременно магнитным сердечником служит насосно-компрессорная труба, оснащенная металлическими кольцами с разрезами. Через разрезы проложены провода обмоток индукционной катушки. Катушка намотана на наружной поверхности корпуса.
Известное техническое решение обладает следующими недостатками: индукционный скважинный электронагреватель не предназначен для нагрева заготовок.
В качестве прототипа выбрана индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок (см. патент 2237385 РФ, МПК Н05В 6/06. Индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок - Опуб. 27.09.2004), содержащая три расположенные в стык и соединенные в треугольник катушки со сдвинутой на фазу 180 средней катушкой, футеровку и по батарее конденсаторов на каждую катушку. Обеспечивает более равномерное выделение удельной мощности по длине нагреваемых мерных заготовок за счет снижения провала мощности на стыке соседних катушек. В результате, уменьшаются взаимная индуктивность катушек и влияние эффекта переноса мощности из одной фазы в другую, что приводит к более равномерной загрузке фаз питающей сети. Недостатком рассмотренного технического решения является то, что не удается обеспечить равномерный нагрев по всей длине заготовки.
В основе предлагаемой полезной модели лежит метод борьбы с неравномерностью нагрева. Среди используемых способов выбран вариант с симметричным расположением заготовки внутри индуктора относительно его середины и разряженными участками на втором слое нагревателя.
Целью полезной модели является обеспечение равномерного нагрева по всей длине заготовки до достижения температуры, необходимой для дальнейшей обработки. При этом, температура заготовки в любой точке не должна быть больше температуры полиморфных превращений (ТПП), так как даже незначительное ее превышение приводит к отбраковке заготовки. Особенно остро такая проблема стоит в случае, когда в одном индукторе необходимо нагревать заготовки различной длины и диаметра.
Для достижения поставленной цели, обеспечиваются симметричные разрывы поля, что способствует снижению торцевых эффектов и повышению равномерности нагрева.
Индуктор для нагрева мерных заготовок включает индукционную катушку, подключенную к источнику питания, и футеровку. Индукционную катушку предлагается выполнить 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. Медная трубка должна иметь следующие размеры: наружное сечение 18×14 мм, внутреннее сечение 14×10 мм. Нижний слой индукционной катушки должен состоять из 50 витков с шагом намотки 20 мм, тогда как верхний слой должен состоять из 38 витков, по 7 витков от торцов и 24 витка в центре с шагом намотки 20 мм, и с разрывом, равным 6 виткам. Общее количество витков 88. Длина индуктора 1050 мм.
В качестве заготовок могут быть использованы заготовки из титановых или хромоникелевых сплавов.
Нагреваемые заготовки могут иметь диаметры: 165, 196, 225, 275 мм.
Длины нагреваемых заготовок должны быть от 150 до 750 мм. Максимальная температура нагрева для заготовок из титановых сплавов должна быть 1000°С, а для заготовок из хромоникелевых сплавов - 1150°С.
Абсолютное значение температуры в любой точке нагреваемой заготовки не должно превышать более, чем на 20°С температуру нагрева конкретных марок титановых сплавов.
Контроль температуры осуществляется в средней части индуктора, с помощью пирометра.
Теплоперепад по сечению и длине заготовки должен обеспечивать достижение минимального суммарного времени нагрева заготовок в нагревательном комплексе: индуктор-печь сопротивления с учетом реального цикла работ всех механизмов, включая пресс, и требований к гомогенности температуры заготовки перед прессованием.
Максимальное время нагрева заготовки в индукторе должно быть 25 мин.
Футеровка в индукционных нагревателях располагается между индуктором и заготовкой. С торцов индуктор закрыт огнеупорными крышками. Таким образом, до минимума сводится величина тепловых потерь с поверхности заготовки, тем самым увеличивается равномерность нагрева по объему всей детали.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами:
На фиг.1 изображен разрез такого индуктора, где:
1 - витки индуктора; 2 - заготовка; 3 - футеровка; 4 - пирометр; 5 - огнеупорные крышки.
На фиг.2 отображено распределение температуры при нагреве до 900°С заготовки 2 длиной 400 мм и диаметром 165 мм.
На фиг.3 отображено распределение температуры при нагреве до 900°С заготовки 2 длиной 750 мм и диаметром 275 мм. При изменении диаметра и длины загрузки изменяется сопротивление индуктора, что при фиксированной величине емкости приводит к изменению частоты.
На фиг.4 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 165 мм и длиной 400 мм на частоте 86,4 Гц.
На фиг.5 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 165 мм и длиной 400 мм на частоте 100 Гц.
На фиг.6 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 275 мм и длиной 750 мм на частоте 100,7 Гц.
На фиг.7 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 275 мм и длиной 750 мм на частоте 100 Гц.
Принцип работы:
Заготовка 2 в индукторе располагается симметрично относительно центра индуктора, и включается нагрев. Температура на поверхности заготовки 2 в ее средней части контролируется пирометром 4.
Преимущество нагревателя состоит в том, что для любой из заданных длин и любого заданного диаметра заготовки 2, можно с уверенностью утверждать, что пирометр 4, который измеряет температуру на поверхности заготовки 2 в ее средней части, будет показывать максимальную температуру по всему объему по длине. Кроме того, легко обеспечивается контроль температуры нагреваемой заготовки 2.
Ниже приводится распределение температуры по объему в случае нагрева заготовки 2 длиной 400 мм, диаметром 165 мм (Фиг.2) и длиной 750 мм и диаметром 275 мм (Фиг.3).
Делаем вывод, что при загрузке одного и того же индуктора заготовками с различными длинами и диаметрами, вследствие изменения индуктивности контура, меняется и его частота при неизменной компенсирующей емкости.
При нагреве заготовок диаметром 275 мм, частота контура практически не отличается от подаваемой на контур частоты 100 Гц. При уменьшении длины и диаметра нагреваемой заготовки 2, частота более значительно отличается от 100 Гц, и это отличие тем более заметно, чем меньше длина и диаметр загрузки. Рассмотрим, влияют ли такие изменения частоты контура на электрические характеристики и качество нагрева. При этом, можно рассматривать только нагрев заготовки 2 длиной 400 мм и диаметром 165 мм, так как в этом случае влияние факта уменьшения частоты окажется максимальным.
При уменьшении частоты /возрастает глубина проникновения тока
,
где ρ - удельное электрическое сопротивление; µ - магнитная проницаемость.
1
1
Поэтому активное r и реактивное x, сопротивления индуктора, активное  и реактивное  сопротивления заготовки 2 уменьшаются.
Ток индуктора ,
где  - напряжение индуктора,
a
при  увеличивается в большей степени, чем уменьшается сумма , поэтому полная активная мощность , где I- модуль тока индуктора, возрастает при снижении частоты.
Увеличение реактивной мощности  при снижении частоты можно объяснить аналогичным образом.
Коэффициент мощности ,
ЭКВ
ЭКВ
ЭКВ
ЭКВ
ЭКВ
ЭКВ
где R - эквивалентное активное сопротивление; X- эквивалентное реактивное сопротивление, незначительно увеличивается при уменьшении частоты, за счет различия в зависимости R=R(f) и X=X(f).
Для электрического КПД имеем:
,
1
2
1
2
2
где D - внутренний диаметр индуктора, D - внешний диаметр заготовки ρ и ρ - удельные сопротивления индуктора и заготовки 2 соответственно, А - расчетный коэффициент, зависящий от m, где ,
2
2
где R - относительный радиус загрузки, Δ - глубина проникновения.
2
При снижении частоты, m уменьшается, обуславливая спад η, по сравнению с η того же контура, но при более высокой частоте.
Чтобы оценить, как влияет частота питания контура на качество нагрева, рассмотрим фиг.4, фиг.5 и фиг.6, фиг.7, на которых, для сравнения, отображено распределение температуры по длине и сечению заготовки 2 диаметром 165 мм и длиной 400 мм, и заготовки 2 диаметром 275 мм и длиной 750 мм, соответственно.
Из представленных графических материалов можно сделать вывод, что на характер процесса нагрева изменение частоты контура не влияет, а разница температурного перепада лежит в пределах 5°С, что не оказывает заметного влияния на качество нагрева.
Таким образом, предлагаемый индуктор для нагрева мерных заготовок имеет следующие преимущества перед известными устройствами:
- широкий диапазон длин и диаметров используемых заготовок из титанового сплава ВТ6 или хромоникелевого сплава;
- для любой из заданных длин и любого заданного диаметра заготовки 2 пирометр 4, который измеряет температуру на поверхности заготовки 2 в ее средней части, будет показывать максимальную температуру по всему объему, поэтому, случай перегрева и расплава заготовки 2 на некоторой глубине от поверхности исключается;
- легко обеспечивается контроль температуры нагреваемой заготовки 2.