Способы нагрева и нагревательные устройства
Часто используются пламенный и бесокислительные способы нагрева.
Пламенный нагрев. Пламенные печи чаще используют для нагрева слитков и крупных заготовок. При пламенном нагреве используются печи, в рабочем пространстве которой сгорает топливо и отходящие газы нагревают заготовку. Могут также использоваться горны, колодцы. Горны отличаются от нагревательных печей небольшими размерами, отапливаются каменным углем или коксом, металл нагревается в них при непосредственном контакте. Горны находят ограниченное применение, т. к. они малопроизводительны. В них трудно создать равномерный нагре и они применяются для нагрева мелких деталей. Пламенные печи работают на мазуте и газе. Таким образом, по виду использования топлива печи делятся на мазутные и газовые. При пламенном нагреве на поверхности заготовки образуется окалина как результат окисления металла кислородом воздуха. Потеря металла в результате окисления называется угаром и достигает до 3 % за один нагрев.
Безокислительный нагрев.Применяют следующие способы безокислительного нагрева.
1. Нагрев в ваннах с расплавленной смесью солей. Применяют для мелких заготовок до 1050 о С.
2. Нагрев с образованием защитных пленок на поверхности заготовок. применяют до 980 О С при покрытии пленкой окисла лития.
3. Нагрев в расплавленной стекломассе. Применяется до 1300 о С.
4. Нагрев в муфельных печах, заполненных защитным газом.
В качестве нагревательных устройств применяются печи и нагревательные установки.
Нагревательные устройства. По характеру распределения температур и способу загрузки металла печи делятся на камерные и методические.
В камерных печах (рис. 3.8) металл загружается периодически и все его количество нагревается одновременно. Эти печи применяются в мелкосерийном производстве вв иду их универсальности и для нагрева очень крупных заготовок массой до 300 т.Камерные печи – неэкономичны, т. к. очень большое количество тепла теряется с отходящими газами, температура которых не ниже температуры нагрева металл и доходит до 1150…1200 о С.
Значительно экономичнее методические печи (рис. 3.9).Они применяются в крупносерийном штамповочном и прокатном производстве. Рабочее пространство печи имеет несколько зон: например, зону нагрева I, зону с максимальной температурой II, зону выдержки III. Заготовка 2 проталкивается толкателем 5 через загрузочное окно. Далее заготовки сами проталкивают друг друга по поду 1 печи и после полного цикла нагрева выгружаются через окно выгрузки 4.
Рис. 3.9 Схема методической печи: 1-под; 2-заготовка; 3-горелка;
4-окно для выгрузки; 5- толкатель; I. Зона подогрева (600-800 о С); II.
Зона максимальной температуры ( 1200-1350 о С); III. Зона выдержки.
В зоне выдержки Ш происходит выравнивание температуры по сечению заготовки.
Горячие газы, поступающие в зону нагрева через горелки 3 движутся навстречу перемещающимся заготовкам, что обеспечивает высокую эффективность нагрева.
Электрический нагрев.Различают печи косвенного нагрева, прямого (контактного ) электронагрева и идукционные нагревательные устройства.
Камерные электропечи сопротивления (косвенный нагрев) применяются в промышленности для нагрева мелких заготовок. Металл в электропечах нагревается за счет тепла, выделяющегося при прохождении электротока по спиралям из жаростойких металлов с большим сопротивлением. Электрический нагрев дает незначительную окалину. Их конструкция аналогична пламенным камерным печам, но вместо форсунок или горелок и спользуют металлические или керамические нагреватели. Для нагрева до 1150 О С в качестве материала нагревателей используется сплав нихром марки Х20Н80.
Контактный нагрев (рис.3.10) основан на (законе Джоуля – Ленца) свойстве электрического тока выделять тепло при прохождении тока до 10000 А через проводник (заготовку). Достоинства: небольшой расход электрической энергии, быстрота, хорошее качество. Таким способом можно нагревать заготовки до 75 мм.
Индукционный нагрев (рис.3.11). При индукционном нагреве заготовка помещается внутри катушки 1(индуктора, изготовленного из медной трубки, по которой для охлаждения протекает холодная вода). По катушке пропускается ток, который создает электромагнитное поле и появляющееся при этом в заготовке 2 вихревые токи нагревают ее.
Достоинства: большая скорость и равномерность, отсутствие окалины, нагрев заготовок любой формы. Недостаток: сложность и дороговизна оборудования, большой расход электроэнергии.
Процессы обработки металлов давлением с предварительным подогревом, в которых полностью успевает произойти процесс рекристаллизации и отсутствуют признаки упрочнения, принято называть «горячими».
Исходные заготовки, обрабатываемые ковкой и штамповкой
Для ковки и объемной штамповки применяют различные металлические материалы: стали (углеродистые, легированные, высоколегированные), жаропрочные сплавы, а также цветные сплавы.Широко применяются для ковки и объемной штамповки стали.
Исходными стальными заготовками для ковки и объемной штамповки являются слитки (рис. 3.12), обжатые болванки (блюмы) и сортовой прокат.Слитокявляется заготовкой для крупных поковок, может использоваться для одной или нескольких поковок. Слитки получают разливкой стали в изложницы из конверторов или мартеновских и электрических печей.
Слиток имеет массу от 135 кг до 350 т. Конфигурация слитков может быть различной в зависимости от способа переплава и завода изготовителя.
Форма слитков может быть различной и зависит от металлургического предприятия, выпускающего слитки. Чаще встречается форма слитка в виде многогранной усеченной пирамиды. Поперечное сечение средней части слитков может быть 4-, 6-, 8- и 12-угольным. Верхняя (прибыльная) часть слитка (l1) содержит усадочную раковину и не может быть использована в поковке. Нижняя (донная) часть [L – ( l1 + l2)] также является отходом слитка. Отход слитка составляет по прибыльной части 18. 30 %, а по донной – 3. 8 % от общей массы слитка.
Рис. 3.12. Стальной слиток Новокрамоторского металлургического завода
Меньшие значения отхода соответствуют слиткам из углеродистой стали, а большие — из легированной. Донная и прибыльная части отделяются от слитка кузнечной рубкой в начале ковки (после биллетировки) или от концов поковки на заключительной стадии и отправляются на переплав. Прибыльная и донная часть получаются дефектными и идут на переплав. Средняя часть, пригодная для наковок, представляет собой расширяющуюся к верху пирамиду с углом наклона граней от 30 о – 1 о . Пирамида имеет грани с числом сторон 4-12. Грани — вогнутые под большим радиусом.
Слитки производственного объединения «Ижорский завод» им. А.А. Жданова. Имеют вид усеченного конуса.
Резка на кривошипных пресс-ножницах.
Кроме этих слитков в промышленности применяют удлиненные, полые, малоприбыльные слитки, слитки с повышенной конусностью, укороченные с двойной конусностью, трехконусные и др.
Слитки обычно используются для получения крупных кованых наковок, масса которых исчисляется в тоннах, а минимальное сечение превышает 1200 см 2 (Ø >100 мм, ٱ>350 мм). Слитки редко применяют для объемной штамповки.
Обжатая болванка ( блюмы) является заготовкой для средних кованых наковок с площадью поперечного сечения 130…1200 см 2 или Ø 130…400 мм. Блюмы также используются для крупных наковок. Блюмы в сечении имеют вид показанный на рисунке, стороны квадрата вогнутые, углы закруглены. Размер А= 140…450 мм, длина 1…6 м. ГОСТ 4692-71.
Сортовый прокат является заготовкой для большинства штампованных наковок. Из него изготавливают также мелкие кованые наковки сечением 20…130 см 2 . Поперечное сечение обычно круглое или квадратное. Круглое сечение имеет размеры 5…250 мм (ГОСТ 2590-71), квадратное также от 5 до 250 мм ( ГОСТ 2591-71). Длина сортового проката 2…6 м.
Кроме обжатой болванки и сортового проката для объемной штамповки используют профильный прокат:
прокат периодического профиля:
и полосовую заготовку:
Сортовой прокат используют для большинства штампованных и мелких кованых поковок. Длина прутков составляет 2…6 м. Поперечное сечение горячекатаного проката может быть квадратное (ГОСТ 2591—88) или круглое (ГОСТ 2590—88). Размеры поперечного сечения (диаметр, сторона квадрата) устанавливаются этими стандартами и по сортаменту составляют: 5; 6; 8; 10; 12; 15; 18; 20; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 45; 48; 50; 56; 60; 65 70; 75; 80; 85 90; 95; 100; 105 110; 120; 125; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 220; 240; 250 мм.
Пример обозначения проката квадратного сечения из Стали 45 при стороне квадрата 60 мм и круга диаметром 60 мм из Ст 3:
Источник
Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.
Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.
Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).
Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.
На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.
Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.
Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.
Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.
Применение:
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.
Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.
Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.
Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.
За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).
Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.
Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.
Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.
Легко провести местный и избирательный нагрев.
Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).
Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.
Установки индукционного нагрева:
На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.
Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.
Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
— повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
— применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.
Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.
Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.
Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.
Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.
На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.
Недостатки трёх точки:
Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).
Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.
При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.
При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.
Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.
Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.
Современные твч-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать
а) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.
Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания — заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается — это может привести к «разносу» генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).
Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).
Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).
При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.
При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка — дуги).
Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).
В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности — схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.
Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.
Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот — напряжение стремится к нулю, а ток максимален.
Источник
