3.3. Установки для сквозного нагрева

Наиболее распространенной конструкцией индуктора для сквозного нагрева является многовитковой соленоид. Форма катушки зависит от вида сечения нагреваемых заготовок.

При нагреве стали или жаропрочных сплавов до температуры 1100–1300 ^оС поверхность индуктора защищается тепловой изоляцией, в качестве которой применяют шамотные втулки, а между индуктором и втулкой прокладывают слой асбестового полотна или картона. В этом случае диаметр индуктора выбирается с учетом толщины изоляционных слоев

, (3.50)

где b_ф – толщина внутреннего слоя футеровки (шамота); b_из – толщина изоляционного слоя (асбеста); b_з – величина воздушного зазора между заготовкой и футеровкой.

Диаметр внутренней полости футеровки D_з составит

. (3.51)

Максимальное значение полного КПД установки для сквозного нагрева стали обычно достигается при .

Равномерный нагрев заготовки по длине обеспечивается тогда, когда ее длина h₂ меньше длины h₁. Тогда длина индуктора

h₁=h₂+2l_св, (3.52)

где l_св – положительный свес индуктора (заглубление заготовки в индукторе) l_св(1…1,5)D₁.

Если в одном индукторе методического действия производится одновременно нагрев нескольких заготовок (n) длиной каждая, то в (3.52) надо подставить h₂= . При этом количество заготовок

,

где  – полное время нагрева заготовки, а _о – темп выдачи заготовок.

На практике применяют два режима сквозного нагрева заготовок: при постоянной во времени удельной мощности и нагрев при постоянной температуре поверхности нагреваемого изделия. Режим с постоянной удельной мощностью, выделяемой на поверхности изделия, является основным, используемым наиболее часто. Режим нагрева при постоянной температуре поверхности используется при ускоренном сквозном нагреве и требует специального регулирования мощности или специальной конструкции индуктора.

При сквозном нагреве, который осуществляют при сравнительно малых удельных мощностях (по сравнению с поверхностной закалкой) в течение более длительного времени при сравнительно высоких температурах 1100–1300 ^оС, необходимо учитывать тепловые потери в окружающее пространство N_т.п., которые при отсутствии тепловой изоляции становятся соизмеримыми с полезной мощностью . При двухслойной стенке тепловые потери в стационарном режиме можно определить по выражению

. (3.53)

Принимая температуру поверхности асбестовой изоляции, прилегающей к индуцирующему проводу t_н=60 ^оС, конечную температуру нагрева заготовки t_п=1300 ^оС при средней величине коэффициента теплопроводности шамота _ср=1,121,2 Вт/( ), мощность тепловых потерь составит

. (3.54)

Для учета изменений физических свойств стали при нагреве весь процесс нагрева условно подразделяют на три характерных этапа: «холодный» – до температуры магнитных превращений, «промежуточный» – с частичной потерей магнитных свойств и «горячий» – выше температуры магнитных превращений. При сквозном нагреве заготовок до 1200–1300 ^оС коэффициенты теплопроводности и температуропроводности рекомендуется принимать для первого этапа при 350 ^оС, для второго при температуре 600 ^оС и для третьего при 950 ^оС, если в конце нагрева допускается перепад между температурами поверхности и середины t_кон=100 ^оС, и при 850 ^оС, если t_кон=150…200 ^оС.

Соответственно изменению физических свойств заготовки в процессе нагрева изменяются активное и реактивное сопротивления заготовки, эквивалентные параметры индуктора, а следовательно, и мощность, поглощаемая заготовкой. Характер изменения мощности в процессе нагрева довольно сложный, зависящий от геометрии системы, степени проявления поверхностного эффекта и температуры.

Максимальное поглощение мощность наблюдается в конце «холодного» периода, а минимальное соответствует «горячему» периоду нагрева. Средняя за весь период нагрева величина мощности потребляемая заготовкой , связана с величиной мощности «горячего» периода соотношением

, (3.55)

которое и используется для приближенных расчетов. При этом, если рассчитать индуктор на мощность, соответствующую «горячему» режиму, то оказывается возможным обеспечить весь цикл нагрева заготовки до заданной температуры и получить требуемое за цикл среднее значение мощности.

Отсюда, тепловой КПД индукционного нагревателя

. (3.56)

Тепловой расчет (приближенный) обычного режима сквозного нагрева при постоянной во времени удельной мощности можно выполнять по методике для расчета нагрева под закалку, в которой использовано решение дифференциального уравнения Фурье, записанного при наличии внутренних источников тепла (3.26). Расчет выполняется по приведенным выше формулам, за исключением того, что глубина активного слоя S_эф

(3.57)

При F_о>0,2 считают, что функция S(, , F_о), характеризующая распределение температуры по сечению заготовки, не зависит от F_о. В этом случае время нагрева определяют по формуле

. (3.58)

Величину средней удельной поверхностной мощности за период нагрева N_уд находя по формуле

. кВт/см²

Выражение (3.58) может быть существенно упрощено, если принять для стальных заготовок t_п=1300 ^оС, теплофизические свойства стали при t=800 ^оС:

=33,5 Вт/( ; а=6,4 м²/с.

При t_кон=100 ^оС с (3.59)

При t_кон=150 ^оС с (3.60)

где – расчетный диаметр загрузки, =D₂–S_эф.

Полная активная мощность, передаваемая заготовкой

. (3.61)

Зная время нагрева , также можно определить среднюю активную мощность через энтальпию заготовки

, (3.62)

где G – масса заготовки, кг; с – средняя теплоемкость, с=6,8 Дж/( ); t_м – средняя по сечению температура равная 1250 ^оС.

Электрический расчет индуктора периодического действия для сквозного нагрева выполняют применительно к горячему режиму, когда слой, прогретый выше точки Кюри, х_к превышает горячую глубину проникновения тока _к. Этот режим наступает при _г=0,3 и продолжается до окончания нагрева.

Методика расчета аналогична методика расчета основных конструктивных параметров для поверхностной закалки. Значения сопротивлений в расчете приведены к одновитковому индуктору и должны быть пересчитаны после определения числа витков  индуцирующего провода.

Последовательность расчета.

1. Минимальная частота источника питания f_min определяется по выражению

,

исходя из условия получения максимального значения электрического КПД. Ориентируясь на горячий режим, соответствующий температуре 800-850 ^оС, в формулу следует подставить значения ₂=1 и ₂=10^-6 .

2. Активное и внутренне реактивное сопротивления индуктора рассчитываются согласно выражению , т.е.

,

в котором коэффициент заполнения индуктора k_з.и. зависит от конструкции индуктора, вида изоляции и составляет k_з.и.=0,75…0,8; – расчетный диаметр индуктора, мм:

, (3.63)

где ₁ – глубина проникновения тока в материал индуктора, рассчитываемая по выражению , в котором для меди ₁=1; ₁= , что соответствует температуре 60 ^оС.

3. Активное и внутренне реактивное сопротивления загрузки

, (3.64)

, (3.65)

где – расчетная высота загрузки

,

и – сумма соответственно положительных и отрицательных свесов индуктора; _а и _р – вспомогательные функции, определяемые по графику; ₂ – глубина проникновения тока в материал загрузки. На данном этапе при расчете ₂ (3.3) в интервале температур 800…1300 ^оС можно принять ₂=(1,2…1,3) .

4. По формулам (3.61) или (3.62) определяется мощность, передаваемая заготовке , по формуле (3.63) мощность тепловых потерь N_т.п. и рассчитывается мощность, подводимая к индуктору

. (3.66)

Сила тока в одновитковом индукторе

. (3.67)

Плотность тока в индукторе

. (3.68)

Напряжение на одновитковом индукторе

. (3.69)

При заданном напряжении, подаваемое на индукторе U_и, определяется число витков индуктора

.

Тогда сила тока в индукторе составит

. (3.70)

Активное, реактивное и полное сопротивления индуктора

; ; . (3.71)

Коэффициент мощности индуктора

. (3.72)

5. Определяются размеры трубки индуктора из условий охлаждения меди индуктора водой.

Высота индуктирующего тока h_в (вдоль оси индуктора) находится по формуле (3.49) и выбирается по сортаменту выпускаемых трубок. Толщина стенки трубок b_и1,57₁.

Площадь внутреннего (живого) сечения трубки прохода охлаждающей воды, см²

, (3.73)

где – скорость движения воды в трубке, равная 100…150 см/с; и – соответственно температура входящей и уходящей из индуктора воды (15 ^оС< <25 ^oC, 50 ^оС).

Радиальный наружный размер трубки, см

. (3.74)

Для индукторов методического действия, нагревающих одновременно несколько заготовок, при расчете индуктора на среднюю мощность за весь период нагрева заготовок следует принимать усреднение значения активного r₂ и внутреннего реактивного сопротивлений, рассчитанных по формулам (3.64) и (3.65). Для активного сопротивления коэффициент усреднения равен 1,6, а для реактивного 1,15.