4.2 Порядок виконання роботи

1. Отримання завдання у викладача; змінними параметрами можуть бути: напруга на електродах, кількість пар електродів, загальна потужність печі-ванни, робоча температура.

2. Вивчення матеріалу методичних вказівок та рекомендуємої літератури.

3. Визначення даних, що необхідні для розрахунків.

4. Складання таблиці вихідних даних.

5. Розрахунок параметрів електродів.

6. Обробка отриманих результатів та їх аналіз.

7. Зображення схеми печі-ванни з розташованими електродами.

8. Складання звіту.

4.3 Зміст та структура звіту

1. Назва роботи та загальні відомості про принципи розрахунку електрод­них печей-ванн.

2. Мета роботи та індивідуальне завдання.

3. Методика виконання роботи.

4. Результати роботи, їх аналіз.

5. Висновки.

4.4 Контрольні питання

1. Переваги та недоліки електродних печей-ванн.

2. Засіб передачі тепла виробам в таких печах-ваннах.

3. Вимоги до елекродів та їх розміщення.

4. Які фактори впливають на кількість та розміри електродів?

5. Від яких факторів залежать розміри та форма електродної печі-ванни?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 5

ІНДУКТОРИ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ЇХ ПАРАМЕТРІВ

Мета роботи: закріплення знань та здобуття навичок щодо розрахунку робочої частини обладнання для індукційного нагрівання виробів при локальній поверхневій термічній обробці.

5.1 Методика виконання роботи

Індукційний нагрів може застосовуватися як з метою наскрізного прогріву виробів, наприклад, під гарячу пластичну деформацію, об’ємне гартування, так і з метою нагріву виробів на певну глибину в разі поверхневого гартування.

При індукційному поверхневому нагріві вибір частоти струму залежить від таких параметрів:

а) потрібної глибини загартованого шару;

б) величини питомих втрат в індукторі;

в) значень електричного к.к.д. (коефіцієнт корисної дії) індуктора;

г) значень повного к.к.д. індуктора;

д) коефіцієнту потужності індуктора cos φ;

е) розмірів та маси виробів.

В даній лабораторній роботі розглядається випадок індукційного нагріву при поверхневому гартуванні виробів (зон виробу) циліндричної форми (типу вісі, вали тощо).

Якщо через Х_К позначити глибину загартованого шару (відстань від поверхні вироба до зони з 50% мартенситу), через Х'_К - глибину зони з чисто мартенситною структурою, Z – глибину активного шару, а через Δ_ГАР – глибину проникнення електричного струму в нагрітому металі, то можна записати основні співвідношення, на які слід зважати при розрахунках: Х'_К ≈ 0,8Х_К; при поверхневому нагріві: Z<0,3Х_К, Δ_ГАР<Х_К; при глибинному нагріві: Z>Х_К, Δ_ГАР>Х_К, частота f<10 кГц.

Для виробів циліндричної форми повинно виконуватися співвідношення:

Х_К/Д = 0,1…0,14, (5.1)

де: Д – діаметр виробу.

Для виробів, у яких Д<30 мм, це відношення приймають рівним 0,14; для більших виробів – рівним 0,1. Для виробів діаметром більше 100 мм можливо приймати це співвідношення в інтервалі 0,05…0,1.

Частоту струму f, Гц, вибирають з умови (Х_К, м):

f ≤ 0,25/Х²_к, (5.2)

При визначенні частоти струму слід ураховувати величину питомих втрат у індукторі ΔР_і, яка збільшується зі зростанням частоти струму f, а також і зі збільшенням питомої потужності Р₀. В той же час питома потужність повинна бути достатньо високою.

В разі поверхневого нагріву повинна виконуватися умова:

ΔР_і<0,25 кВт/см², (5.3)

тому рекомендують приймати Р₀<2 кВт/см² (звичайно Р₀=0,3 – 1,5 кВт/см²). Тоді в разі поверхневого нагріву частота струму повинна бути: f >0,015/Х²_к, а Х_К>0,25Δ_ГАР. Звідси рекомендований інтервал тих частот струму, що вживають при цьому (Х_К, м):

0,015/Х²_к ≤ f (Гц)≤0,25/Х²_к, (5.4)

Для Х_К≈0,4Δ_ГАР отримаємо значення f_опт=0,06/Х²_к.

Загальний коефіцієнт корисної дії установки:

η_уст = η_ел η_терм, (5.5)

де η_ел – електричний к.к.д. установки:

η_ел= η_ген η_тр η_інд, (5.6)

де: η_ген – к.к.д. генератора; для машинних та тиристорних генераторів η_ген= 0,9 – 0,92; для лампових генераторів η_ген= 0,6;

η_тр – к.к.д. трансформатора, який дорівнюється 0,9 – 0,92;

η_інд – к.к.д. індуктора, що дорівнюється 0,8;

η_терм – термічний к.к.д., який дорівнюється 0,2 для лампових генераторів та 0,4 – для машинних генераторів.

Чим більше частота струму, тим менше cos φ.

Порядок розрахунку індуктора наведено нижче.

Вихідні дані для розрахунку: діаметр (Д), довжина виробу, що обробляється; потрібна глибина загартованого шару Х_К (Х_К=в*Д; в=0,12 – 0,14 для Д<30 мм; в=0,10 – 0,12 для Д=30…90 мм; в=0,05 – 0,08 для Д>90мм); засіб гартування (одночасне або безперервно-послідовне гартування), який обирає студент з врахуванням довжини виробу чи тієї його частини, що зміцнюється.

Викладач видає в завданні діаметр (Д) виробу, що підлягає обробці, та довжину зони гартування L. Інтервали змінення цих параметрів: Д=20…160 мм (з кроком 5 мм); L=40…1000мм.

Довжина зони, що обробляється, при одночасному гартуванні (а₂) прий­мається а₂=L. При безперервно-послідовному гартуванні довжину зони, що нагрівають (а₃), обирають в інтервалі а₃=20…100 мм (для одновиткового індук­тору). Слід враховувати, що при великому L (L>100…200 мм) використання схеми одночасного гартування може бути недоцільним у зв’язку з необхідністю використання надто потужного генератора.

Обрання інтервалу частот струму виконується згідно з формулою 5.4, причому, обрана частота, що виробляється генератором повинна бути найбільш близькою до оптимальних значень, (Х_к – у м):

f_опт=0,06/Х²_к (5.7)

Визначення значення Х_к виконують згідно з залежністю 5.1, а також відповідно з рекомендаціями, що наведено вище.

На базі цих розрахунків обирають або машинний генератор з частотами струму f =8000 Гц чи f =2500 Гц, або ламповий генератор, якщо f_опт>10000 Гц.

Використовуючи графіки, що наведені на рисунках 5.1 та 5.2, можна обрати значення питомої потужності Р₀ (у межах 0,3…1,5 кВт/см²) та часу нагрівання, τ_н.

Визначення довжини індуктору а₁:

а₁ = (1,1…1,2) а₂, або а₁ = (1,1…1,2) а₃, (5.8)

Для одновиткових індукторів рекомендують вибирати а₁=20…100 мм.

Визначення швидкості переміщення виробу V, м/с, в разі безперервно-послідовного гартування:

V = а₁ / τ_н (5.9)

Визначення глибини проникнення струму у вироб (Δ_ГОР), м:

, (5.10)

Визначення діаметра індуктора:

Д₁=Д+2h_з, (5.11)

де h_з – розмір зазору, що приймається рівним3 мм в разі Д ≤ 50 мм і 5 мм при Д>50 мм.

Визначення товщини стінки труби індуктора δ, мм:

δ = (1,6…2) Δ₁,(5.12) (5.12)

де: Δ₁ – глибина проникнення струму у мідь.

, мм (5.13)

Визначення потужності генератора Р_Г:

, (5.14)

де: Р₀ – у кВт/см², Д₂ – у см, а₁ – у см;

η_ЛП – к.к.д. лінії передачі (η_ЛП = 0,95);

η_КБ – к.к.д. конденсаторної батареї (η_{КБ .} = 0,98);

η_ТР – к.к.д. трансформатора (η_ТР = 0,9);

η_ІНД – к.к.д. індуктора (η_ІНД = 0,8).

Визначення площі перерізу отвору трубки індуктора S, см²:

, (5.15)

де: Р_ІНД – потужність, що подається на індуктор, кВт;

V_П – питома витрата води на охолодження індуктора, см³/с, яку вибирають рівною 1000 см³/с на кожні 100 кВт потужності індуктора;

ω – швидкість руху води в індукторі, що приймають рівною 100 см/с.

Визначення внутрішніх та зовнішніх розмірів трубки індуктора, см:

- для індуктора круглого перерізу:

, ; (5.16)

• для індуктора прямокутного перерізу:

а_зовн. = а₁; а_вн = а₁ - 2δ; b_вн = S / а_вн; b_зовн = b_вн +2δ (5.17)

Схему індуктора з його основними параметрами слід зобразити окремим рисунком.