ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА СКВОЗНОГО НАГРЕВА

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, а именно, к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой и схемам их подключения к источнику переменного напряжения, в частности может быть использовано при обеспечении режима методического нагрева с постоянной температурой поверхности (ускоренный нагрев), режима с изменением мощности по специальной программе (оптимальные режимы нагрева), а также режима градиентного нагрева.
Известны индукционные установки для ускоренного методического нагрева перед обработкой давлением, в которых активная мощность, выделяемая в загрузке на начальном участке значительно больше, чем на последующих участках (Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л., «Энергия», 1974). Это достигается неравномерным распределением линейной токовой нагрузки по длине индуктора за счет ступенчатого изменения ширины индуктирующею провода и шага намотки. Таким образом обеспечивается быстрый нагрев поверхностного слоя загрузки до заданной конечной температуры. Значительный перепад температуры и, соответственно, большой тепловой поток между поверхностью и центром загрузки способствует быстрому прогреву ее внутренних слоев. После продвижения загрузки в индукторе в последующих позициях подводимая к ней мощность снижается таким образом, чтобы температура поверхности оставалась постоянной и равной конечной величине. Таким образом удается значительно сократить время нагрева загрузки до конечной температуры при заданном перепаде температур между поверхностью и центром.
Неравномерность токовой нагрузки используется также для создания оптимального режима нагрева. Изменение мощности, выделяемой в заготовке в процессе нагрева, позволяет добиться наименьшего перепада
температуры по сечению заготовки в конце нагрева. Кроме того, подобным образом может быть обеспечено заданное технологическими требованиями неравномерное распределение температуры по длине слитка в конце нагрева, то есть режим градиентного нагрева.
Недостатком описанных индукционных установок является отсутствие возможности регулирования режима нагрева. Обычно шаг намотки индуктора меняется ступенчато. Число ступеней не превышает четырех, а наиболее часто ограничиваются тремя, в некоторых случаях двумя ступенями. Поэтому, они могут быть использованы только в серийном производстве для нагрева однотипных заготовок при условии жесткого соблюдения номинального режима работы.
Наиболее близкой к заявленному устройству является индукционная установка сквозного нагрева, содержащая колебательный контур, образованный параллельно включенными конденсаторной батареей и многовитковым индуктором с равномерно распределенными по длине витками (Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Изд. 2-е, доп. И перераб. Л., «Машиностроение», 1974). Основным преимуществом такой конструкции является то, что она может быть использована для нагрева заготовок, близких по диаметру, но самых разнообразных по длине. Однако эта конструкция индукционной установки сквозного нагрева не позволяет реализовать режимы нагрева, которые обычно осуществляются за счет непостоянной удельной мощности, передаваемой в загрузку в течение цикла нагрева, чего можно добиться при неравномерной плотности витков по длине индуктора (количество витков на единицу длины).
В основу предложенного технического решения положена задача создания индукционной установки сквозного нагрева, которая обеспечит неравномерность распределения удельной мощности, передаваемой в загрузку в течение цикла нагрева и при этом позволит регулировать
распределение удельной мощности в зависимости от заданного режима нагрева и параметров загрузки.
Поставленная задача решается тем, что индукционная установка сквозного нагрева, содержащая колебательный контур, образованный батареей конденсаторов и многовитковым индуктором с равномерно распределенными по длине витками, согласно изобретению, многовитковый индуктор разбит на несколько ступеней, параллельно к каждой из которых через электрические выводы, выполненные по всей длине многовиткового индуктора, включены части батареи конденсаторов, при этом длины ступеней и емкость включенных параллельно им частей батареи конденсаторов подобраны так, чтобы обеспечить заданное неравномерное ступенчатое распределение удельной мощности по длине многовитковою индуктора.
На фиг.1 представлен эскиз индукционной установки сквозного нагрева со схемой подключения к источнику переменного напряжения; на фиг.2 - электрическая схема замещения индукционной установки сквозного нагрева; на фиг.3 - векторная диаграмма токов и напряжений индукционной установки сквозного нагрева.
3
3
3
Индукционная установка сквозного нагрева содержит многовитковый индуктор 1 с равномерно распределенными по его длине витками (фиг.1). Многовитковый индуктор 1 разбит на несколько ступеней, ограниченных выполненными по всей его длине электрическими выводами 2. В рассматриваемом случае многовитковый индуктор является трехступенчатым 1', 1'', 1'', так как этот случай встречается наиболее часто. Однако число ступеней может быть любым и выбирается исходя из требований технологии нагрева загрузки. Параллельно каждой из ступеней (1', 1'', 1'') многовиткового индуктора 1 через электрические выводы 2 включены соответствующие им батареи конденсаторов 3, при этом их емкостные сопротивления х', х'', х''' подобраны таким образом, чтобы полные сопротивления секций 1, 1'', 1'' многовиткового индуктора 1 с
включенными параллельно соответствующими им частями батареи конденсаторов 3', 3'', 3'''. В том случае, если реактивная мощность многовиткового индуктора 1 компенсирована батареей конденсаторов 3 не до конца, то параллельно электрическим выводам на входе и выходе многовиткового индуктора может быть включена батарея конденсаторов 4. Внутри индуктора находится загрузка 5.
1
1
1
1
1
1
3
3
3'
3
1
3
1
3
1
3
3
3
32
43
14
l
l
l
При подаче на электрические выводы 2 на входе и выходе многовиткового индуктора 1 переменного напряжения в элементах индукционной установки сквозного нагрева возникают переменные электрические токи. В рассматриваемом случае предполагается, что активные сопротивления секций (x', x'', x''') значительно меньше реактивных сопротивлении (х, x'', x'''), а емкостные сопротивления частей батареи конденсаторов соответствуют условию х'''>х''>х, но при этом каждое из них больше реактивного сопротивления соответствующей секции многовиткового индуктора (х'>x',x''>x'',x''>x'''). Нетрудно убедиться, что z',>z''>z''' и падение напряжения на секции l' больше, чем падение на секции l'', которое в свою очередь больше, чем падение напряжения на секции l'', то есть U>U>U (см. фиг.3). Поскольку к секциям индуктора, имеющим одинаковые сопротивления, приложены различные по величине напряжения, то в них протекают не одинаковые по величине токи (I'>I''>I'''). Это значит, что в загрузке 5 по длине наблюдается неравномерное ступенчатое распределение удельной мощности. что позволяет обеспечить специальные технологические режимы сквозного нагрева. Кроме того, одна и та же конструкция индукционной установки сквозного нагрева может обеспечивать разнообразные технологические требования к режиму нагрева, потому что позволяет изменить число секций, их длины и емкости частей батареи конденсаторов.