Плазменные индукционные установки

Плазменный нагрев относят к специальным технологическим процессам. Все специальные технологические процессы можно условно разделить на процессы с прямым индукционным нагревом и косвенным нагревом рабочих тел. Подход к проектированию установок для процессов этих двух типов различен. В первом случае обычно требуется создать устрой­ство для нагрева заданных тел, а во втором необходимо спроекти­ровать и сам нагреваемый объект, что расширяет круг задач, под­лежащих решению.

Рассмотрим основные процессы и установки первого типа. Сюда относятся индукционные плазменные установки, нагрев под гибку труб и профилей, нагрев перед механической обработкой, нагрев под посадку, спекание порошков и т. д.

Индукционный метод обеспечивает чистоту плазмы, надежность и длительность работы устройства даже при исполь­зовании воздуха в качестве рабочего газа. Индукционный плазмотрон (рис. 6) состоит из многовиткового индуктора 1 и кварцевой трубы 2 с водяным или газовым охлаждением. Внутрь трубы с помощью газоформирующей головки 3 подается рабо­чий газ, обычно аргон. Для защиты кварцевой трубы от контакта с плаз­мой используют водоохлаждаемые медные решетки и подачу струй охлаждающего газа вдоль ее стенок.

Зажигание плазменного факела 4 производится от внешнего ис­точника, например от дугового разряда, обеспечивающего на­чальную ионизацию газа. Температура плазмы зависит главным образом от рабочего газа и для аргона составляет 9500—11500 К. Проводимость ионизированного газа много ниже, чем металлов, поэтому плазмотроны работают при частотах 1—40 МГц. В послед­нее время в связи с увеличением мощности и размеров плазменных факелов происходит переход на более низкие частоты, 440 кГц и ниже. При использовании ферромагнитного сердечника кольце­вой разряд возможен даже при средней частоте (10 кГц).

Высокочастотные плазменные установки находят широкое при­менение в плазмохимии, при высокотемпературных и аэродинами­ческих исследованиях, при сфероидизации порошков и в других процессах. Наша промышленность выпускает специаль­ные установки для нагрева газов типа ВЧГ. Рабочая частота 1,76 МГц, мощность 160 и 60 кВт. Схема двухконтурная, обеспечи­вает повышенное напряжение на индукторе (5—7 кВ).

Установки снабжаются блоками плазмотронов для осуществле­ния различных процессов. Мощность подобных установок может достигать 1 МВт и более.

Рис. 6. Высокочастотный плазмотрон

Установки для сквозного нагрева под

пластическую деформацию

Широко применяется сквоз­ной индукционный нагрев под пластическую деформацию: объем­ную штамповку, ковку, прокатку, прессование, волочение. Нагреву подвергаются стали различных типов, от малоуглеродистых до легированных, а также сплавы титана, алюминия, меди и других металлов. Целью нагрева является обычно получение заданной температуры с определенной допустимой неравномерностью по объему изделия. Для сталей средняя температура Т_ср находится в диапазоне 1000—1250 °С с допустимым отклонением от нее ± (100—25) К (меньшее отклонение — для точных технологий, таких, как штамповка на ковочных вальцах и др.). Обычно при­нимают максимальную температуру нагрева стали Т_тах = 1250 °С, а перепад температуры по сечению ΔТ = 100—150 К. В отдельных случаях, например при прессовании алюминия, используется гра­диентный нагрев с заданным законом изменения температуры по длине изделия.

Время нагрева и удельная мощность определяются из условия достижения требуемого распределения температуры. При этом время транспортировки нагретых тел к прессу или другому агре­гату может использоваться для выравнивания температуры, од­нако в ходе всего процесса максимальная температура не должна превышать величины Т_мах зави­сящей от вида материала. Иногда, особенно при нагреве заготовок из легированных сталей, вводится ограничение на перепад темпера­тур ΔТ в диапазоне Т<650°С из-за опасности возникновения внутренних трещин от термических напряжений.

Н агрев осуществляется в спе­циальных индукционных нагрева­телях, основным элементом кото­рых является индуктор. Наиболь­шее распространение получили индукторы цилиндрического, оваль­ного и щелевого типа. Прямоугольные тела нагревают в овальных (прямоугольных), реже щелевых индукторах. Для цилиндриче­ских тел используют индукторы всех трех типов (рис. 7), причем в овальных индукторах цилиндры могут располагаться вдоль (рис. 7, б) или поперек (рис. 7, е) оси индуктора (нагрев в продольном или поперечном поле индуктора). Для нагрева лент и пластин толщиной менее двух глубин проникновения эффективно использование индукторов поперечного поля (рис. 8), состоя­щих из двух плоских индукторов 1 с Ш-образным магнитопроводом 2, токи в которых имеют одинаковое направление. Тип ис­пользованного индуктора во многом определяет конструкцию и технико-экономические показатели всего нагревателя.

Наиболее часто нагрев осуществляется при постоянстве напря­жения па индукторе, однако используются также режимы с при­мерно постоянной мощностью или температурой поверхности (уско­ренный нагрев), а также режимы с изменением мощности по спе­циальной программе (оптимальные режимы нагрева).

Выбор типа индуктора необходимо производить по совокупности электрических, тепловых и конструктивных характеристик.

Цилиндрические индукторы наиболее просты по конструкции, надежны, обладают высоким полным КПД и обеспечивают мини­мальное окисление заготовок вследствие слабого доступа воздуха в зону нагрева (нагрев в застойной атмосфере). Этот тип индуктора наиболее распространен на практике. Щелевые индукторы имеют более низкие энергетические показатели и применяются в тех слу­чаях, когда удобство транспортировки заготовок имеет особое зна­чение.

По принципу действия нагреватели делятся на периодические, непрерывные и полунепрерывные. В периодических нагревателях одно или несколько изделий нагреваются до требуемой температуры, после чего загрузка индуктора полностью заменяется. В нагрева­телях непрерывного действия изделия в процессе нагрева находятся в непрерывном или пульсирующем движении, а в полунепрерывных нагреваются одновременно несколько изделий с поштучной их за­меной.

По длине нагреваемых изделий различают нагреватели для сквозного нагрева длинных заготовок (штанг), коротких (мерных) заготовок и нагрева участков длинных заготовок, обычно их кон­цов.

Нагреватели снабжаются устройствами для подачи заготовок, перемещения их через индуктор и передачи на пресс или другое технологическое оборудование. Заготовки подаются на вход ин­дуктора с помощью перепускных механизмов с накопительных лот­ков, из кассет и со стеллажей или специальными автоматами из загрузочных бункеров. Выгрузка заготовок из индуктора и их пере­дача на пресс производится с помощью роликов, лотков, цепных или пластинчатых транспортеров. Наибольшую сложность пред­ставляет перемещение заготовок через индуктор. Разработано много вариантов устройств, конструкция которых зависит от вида заготовок, типа индуктора и режима работы нагревателя.

Нагрев длинных заготовок. Длинные заготовки обычно нагре­вают в секционированных цилиндрических или прямоугольных индукторах при непрерывном перемещении с помощью системы приводных роликов. Расстояние между осями соседних роликов не должно превышать половины длины заготовки. Принимая ми­нимальную длину секции равной 15 см, а длину промежутка для ролика 10 см, получаем, что этот способ пригоден лишь при длине заготовок более 50 см.

Нагрев штанг перед шаропрокатными и другими специаль­ными станами осуществляется в периодических нагревателях с по­очередной выдачей нагретых штанг, что сокращает общую длину установки.

Н агреватели мерных заготовок. При малой производительности и сравнительно большой длине заготовок используют периодиче­ские нагреватели (рис. 9). Заготовки заталкиваются в индуктор 3 с теплоизоляцией 5 по направляющим 7 толкателем 1 с пневмати­ческим, гидравлическим или электромеханическим (реечным или кулисным) приводом. Направляющие, изготавливаемые из трубок из немагнитной стали (например, Х18Н10Т), не должны образовы­вать замкнутых контуров во избежание дополнительных потерь энергии. Для повышения стойкости направляющих к истиранию на них иногда наплавляют полоски износостойкого материала. Нагретая заготовка 4 после окончания цикла нагрева выталкивается холодной заготовкой 2. Горячая заготовка попадает на при­водные ролики 6 на выходе из индуктора и перемещается к прессу. Основная масса мерных заготовок нагревается в полунепре­рывных и непрерывных нагревателях. Полунепрерывные нагреватели по конструкции близки к периодическим, однако у них в ин­дукторе находится столб из нескольких заготовок. Недостатками конструкции являются невозмож-ность нагрева одиночных загото­вок, сравнительно быстрое истирание направляющих, ненадежная работа при нагреве заготовок с заусенцами и неровными торцами. Эти же недостатки присущи нагревателям непрерывного действия, в которых столб заготовок проталкивается по направляющим си­стемой приводных и прижимных роликов, расположенных на входе в индуктор.

Ш ирокое распространение получили нагреватели с шаговым перемещением заготовок (рис. 10). Заготовки 1 в индук­торе лежат на двух неподвижных направляющих 6, между кото­рыми расположен лоток 7, поддерживаемый опорами 5, закреплен­ными на раме 4. Рама 4 совершает циклическое движение. Сначала лоток поднимает столб заготовок и переносит его вперед, затем опускает их на направляющие 6 и возвращается обратно. Проме­жуточные опоры лотка располагаются в зазорах между секциями индуктора 2. Так как шаг перемещения мал, конец выходной за­готовки может остыть при выходе из индуктора. Быстрая разгрузка обеспечивается скоростными роликами на выходе из индуктора или специальной конструкцией последней секции (3 на рис. 10), под­держивающей температуру заготовки вплоть до ее соскальзывания по наклонным направляющим. Шагающий механизм приводит к некоторому увеличению воздушного зазора в индукторе, что сни­жает его коэффициент мощности и КПД.

Нагреватели со щелевыми индукторами используются в основ­ном для, нагрева концов заготовок (рис. 11). Заготовки распола­гаются на транспортере или в гнездах специального барабана, обеспечивающего их движение. Для этой же цели исполь­зуются нагреватели с овальными индукторами. Загрузка и вы­грузка заготовок из индуктора осуществляется толкателями.

Конструкции индукторов. Индукторы для сквозного нагрева имеют многовитковый индуктирующий провод из медной трубки прямоугольного сечения, тепловую изоляцию, направляющие для заготовок и конструктивные элементы, обеспечивающие крепление всего индуктора и его частей, подвода воды и тока. Индуктирую­щий провод изолируется путем обмотки стеклолентой и пропитки кремнийорганическим лаком.

Типичная конструкция цилиндрического индуктора показана на рис. 12. Индуктирующий провод 1, снабженный колодками 2 и штуцерами 3 для подвода тока и воды, залит жаростойким бето­ном. Внутренняя часть бетона 6 выполняет роль теплоизоляции, а наружная часть 4— роль конструктивного элемента. В заливке предусматриваются пазы 5 для размещения направляющих и пазы 7 — для установки и центровки индуктора. Витки залитого индуктора имеют электрическую изоляцию и наматываются с зазором для затекания бетона, что обеспечивает прочность конструкции. Недостатками такого исполнения являются значительные тепло­вые потери и низкая ремонтопригодность индуктора.

Б олее высокий КПД имеют индукторы с двухслойной изоляцией: из листового асбеста или кремнеземистых волокнистых материалов и из жароупорных гильз (пластин — для овальных или щелевых индукторов) из шамота либо карборунда. Индуктирующий провод в таких индукторах крепится с боков деревянными или текстолитовыми брусьями, а с торцов — асбоцементными плитами.

Пайка и наплавка при индукционном нагреве.

Технологический обогрев.

Пайка. Одной из традиционных областей применения индук­ционного нагрева является пайка. При этом процессе исполь­зуются такие достоинства индукционного метода, как чистота и большая скорость нагрева, возможность пайки в любой газовой среде и в вакууме, легкость регулирования мощности, достижи­мость любых температур, возможность локального нагрева зоны соединения. Основными недостатками являются большие капиталь­ные затраты и трудность получения равномерного нагрева при пайке деталей сложной формы. Технико-экономическая эффектив­ность сильно зависит от конкретных условий.

Применение индукционного нагрева обычно экономически оп­равдано при пайке среднеплавкими припоями (медь, латунь, ферро­марганец, медно-серебряные сплавы) с температурой плавления 400—1200 °С.

Основной задачей при индукционном нагреве под пайку яв­ляется получение заданной равномерности температуры соединяе­мых тел и припоя в зоне пайки. Припой вводится в зону соединения в виде колечек, лент или паст и обычно нагревается косвенно от самих изделий. Вместе с припоем в зону соединения вводится флюс (прокаленная бура и др.).

Время нагрева под пайку составляет 10—120 с, что опреде­ляется возможностью получения требуемого распределения тем­пературы, временем расплавления припоя и затекания его в шов. Завышение времени нагрева приводит к снижению производитель­ности, излишнему расходу энергии и окислению изделий. Средние удельные мощности колеблются в пределах 10—200 Вт/см². Общая мощность источника питания невелика — единицы и десятки ки­ловатт, редко более 100 кВт. Выбор частоты определяется нали­чием источников необходимой мощности, требованием высокого КПД установки и равномерности нагрева. Обычно в качестве ис­точников питания применяются ламповые генераторы мощностью 10—100 кВт при частотах 66 или 440 кГц и машинные преобразо­ватели на 8—10 кГц мощностью 50 и 100 кВт.

Различают ручную, полуавтоматическую и автоматическую пайку. При широком сортаменте изделий используется ручная пайка, обычно на радиочастоте. Ламповый генератор снабжается набором индукторов простой формы, в которые оператор с помощью простых приспособлений вносит паяемый узел, собранный и за­фиксированный с помощью зажимов, штифтов, обвязки асбестовым шнуром и т. п. Управление процессом производится вручную пу­тем изменения положения изделий в индукторе и регулирования мощности генератора, часто путем его включения и выключения. Примером могут служить установки для пайки резцов, фрез и дру­гих изделий в инструментальных цехах.

При полуавтоматической пайке установка и снятие изделий происходит вручную, нагрев отключается автоматически с дози­ровкой по температуре, энергии или времени. В последнем случае необходима стабилизация режима генератора.

Установки полуавтоматической и автоматической пайки проек­тируются для массового производства изделий с высокой стабиль­ностью параметров последних. Часто процесс осуществляется в за­щитной газовой среде или в вакууме (рис. 13). Автоматический станок для пайки имеет позиции для подачи изделий, их нагрева, охлаждения и снятия. Собранный узел 2 с припоем 4 устанавли­вается на медном столе 5, имеющем каналы водяного охлаждения 6, и закрывается стеклянным колпачком 3. Индуктор 1 может распо­лагаться снаружи или внутри объема с откачанным воздухом. Нужно отметить, что наиболее эффективно применение индукцион­ной пайки, когда все элементы установки, включая источники питания и само паяное соединение, проектируются с учетом специ­фики процесса. Перспективна разработка установок для индук­ционной пайки с питанием от тиристорных источников с частотой 10—25 кГц.

Наплавка. Процесс наплавки (напайки) одного материала на другой близок к пайке, так как тоже основан на взаимодействии жидкого металла с твердым в присутствии флюса. Возможны раз­личные способы индукционной наплавки: расплавление частиц одного металла на подложке из другого, заливка жидкого металла на подогретую основу, внедрение частиц твердого материала в оп­лавляемую поверхность подложки. Наплавка производится дли восстановления деталей или чаще для получения биметаллов. Обычно наплавляется (или вплавляется) на основу материал, обладающий особо ценными свойствами (баббит, бронза, стеллит, карбиды вольфрама). Наплавка связана с расплавлением одного из материалов, поэтому удельная мощность здесь может быть на порядок выше, чем при пайке. Значительно выше и общая мощ­ность (десятки и сотни киловатт). Используются средние частоты и радиочастоты (66 или 440 кГц) в зависимости от размеров изде­лий. Наибольшее распространение получили процессы с заливкой жидкого металла на подогретую основу.

Перспективно получение биметаллических втулок и гильз пу­тем центробежной наплавки при индукционном нагреве (рис. 14). Навеска износостойкого материала быстро расплавляется и переревается в тигельной печи 1 и с помощью желоба 2 заливается в быстро вращающуюся гильзу 3, предварительно подогретую в индукторе 4 и покрытую флюсом. Вращение продолжается до затвердевания металла. Длительность цикла наплавки составляет 1—5 мин, процесс осуществляется на полуавтоматическом или ав­томатическом станке.

Близким к наплавке является процесс оплавления антикорро­зионных или иных покрытий на ленте, листах и трубах. Оплавле­ние производится для получения сплошного покрытия и улучше­ния его адгезии к основному материалу. Температура нагрева за­висит от материала покрытия и составляет 200—300 °С. Обычно используются установки непрерывного нагрева средней частоты. Для ферромагнитных лент применяется нагрев в продольном маг­нитном поле, а для немагнитных — в поперечном поле. Для нагрева труб применяются многовитковые цилиндрические индук­торы, в некоторых случаях при частоте 50 Гц.

Гибка труб и профилей. При гибке труб и профилей необходим интенсивный локальный нагрев и встраивание индукторов в техно­логические установки. Индукторы часто снабжаются магнитопроводами, улучшающими их энергетические характеристики и су­жающими зону нагрева. Гибка происходит при непрерывном дви­жении трубы за счет деформации в узкой нагретой полосе. Нали­чие холодных участков по краям зоны обеспечивает сохранение формы поперечного сечения трубы даже при диаметрах, достигаю­щих 100 см. Проектирование установок примерно такое же, как при индукционной закалке. Отличием является требование сквоз­ного прогрева сечения. Температура достигает 850-1000 °С, мощ­ность составляет десятки и сотни киловатт (до 1000 кВт), частота 1—10 кГц. При гибке профиля частота выбирается из условия на­грева наиболее тонких его частей (8—10 кГц). Время нагрева эле­мента составляет 10—45 с, удельная мощность для профилей 0,1—0,2 кВт/см³. Возможно совмещение гибки с термообработкой труб и профилей.

Нагрев под посадку. Нагрев под горячую посадку колес и бан­дажей относится к низкотемпературному (до 150—400 °С) нагреву стали, в связи с чем широко используется частота 50 Гц. Приме­няются обычные цилиндрические индукторы с магнптопроводом или без него, но чаще нагреватели с замкнутым магнитопроводом (трансформаторного типа). Последние обладают высоким КПД и коэффициентом мощности и позволяют нагревать на частоте 50 Гц даже сравнительно тонкостенные изделия. Трансформаторный на­греватель имеет магнитопровод стержневого, реже броневого типа, вторичным витком которого является нагреваемая деталь. Индук­тирующая обмотка располагается обычно па другом стержне из конструктивных соображении, хотя для повышения коэффициента мощности ее лучше располагать снаружи пли внутри нагреваемого тела. Для нагрева больших колец (диаметр свыше 100 см) исполь­зуется несколько трансформаторных нагревателей, расположенных по окружности и подключенных к одной фазе согласно. Мощность установок составляет 10—150 кВт, время нагрева 5—30 мин в за­висимости от размеров изделия. Коэффициент мощности достигает 0,6—0,65. При небольших мощностях обмотки многослойные с ес­тественным охлаждением.

Нагрев перед механической обработкой. Установки для нагрева перед механической обработкой (точение, фрезерование) имеют много общего с закалочными установками. Они содержат источник питания средней чистоты (2,5- 8 кГц) и нагревательный контур, состоящий из конденсаторов, индуктора и понижающего трансфор­матора. Элементы контура входит в блок, жестко связанный с суп­портом мощного металлорежущего станка. Нагреву подвергаются поверхностные слои труднообрабатываемых материалов, таких как сплавы титана и некоторые типы сталей. При нагреве до 400—500°С материал становится более пластичным и менее твердым, что позволяет повысить производительность станков. При обра­ботке титановых слитков производительность возрастает в 3—5 раз. Существует два способа нагрева слитков: по боковой поверхности и по следу резца. В первом случае для получения заданного пере­пада температуры 100—150 К по глубине резания 0,5-—2,5 см тре­буется большое время нагрева. Поэтому термический КПД низок. Используются многовитковые цилиндрические или плоские индукторы.

Для нагрева по следу резца (рис. 15) применяют более слож­ные, обычно одновитковые, индукторы с магнитопроводом 2, за­литым алюминиевым сплавом 3 для улучшения охлаждения. За­ливка может использоваться в качестве обратного провода. Тепло отводится во­дой, протекающей по каналам 4. Индук­тирующий провод 5 с зазором 2—5 мм примыкает к поверхности резания слит­ка 1. Нагрев характеризуется высоким термическим КПД и равномерностью температуры в зоне резания. Недостатком является более сложное обслужи­вание и меньшая надежность из-за опасности повреждения индуктора стружкой или слитком при поломке резца.

Установки индукционного обогрева могут быть высокотемпературными (на­пример, индукционные термостаты кос­венного нагрева), однако в большинстве случаев температуры не превышают 300°С (обогрев трубопроводов, химических реакторов, экструдеров, штам­пов, подогрев валков прокатных станов и каландров, сушка, про­калка сыпучих материалов, нагрев жидкостей и газов). Имеются сообщения о нагреве железобетона и сушке древесины с помощью стальных решеток, закладываемых в штабель.