2.5.7 Расчет индукционного нагрева

Термообработка изделий с применением индукционного нагрева, особенно поверхностная закалка, применяется в настоящее время практически на всех металлургических и машиностроительных заводах. В связи с этим, в дипломных проектах студентам часто приходится разрабатывать технологические операции, осуществляемые на установках ТВЧ и ТПЧ, что предопределяет необходимость выбирать и обосновывать генераторы ТВЧ, определять их мощность и время нагрева заданного изделия.

Тип генератора, оптимального для конкретных условий производства, определяется, прежде всего, требуемой глубиной закаливаемого слоя, так как она связана с частотой тока. Чем выше частота тока, тем меньшей толщины может быть закален поверхностный слой детали. Это следует из формулы Штейнметца, связывающей глубину проникновения тока в изделие δ и его частоту f.

, см, (2.54)

где ρ_t – удельное электросопротивление стали, Ом·см;

μ – магнитная проницаемость нагреваемой стали, Гс/Э;

f – частота тока, Гц.

С повышением температуры металла ρ_t возрастает, а μ уменьшается, поэтому глубина проникновения тока в изделие увеличивается. При «горячем режиме» она может быть принята за глубину нагрева и закалки, так как в этом слое выделяется основная часть энергии (до 90 %).

Для стали μ резко уменьшается при приближении к точке магнитного превращения (А₂=770 ºС), когда μ =1 Гс/Э. При температуре 20 ºС μ =100-150 Гс/Э. Электрическое удельное сопротивление для стали с 0,5 % углерода при температуре 15 ºС ρ_t =0,18·10^-4 Ом·см, а при 850-900 ºС ρ_t =1,10·10^-4 Ом·см, поэтому при нагреве до 600-650 ºС (δ_хол) в 10-25 раз меньше, чем δ_гор. Это обусловливает возможность использовать нагрев до 600–650 ºС ТПЧ, а далее ТВЧ, что приводит к экономии электроэнергии.

Оптимальная частота тока f зависит от формы изделия и толщины слоя и определяется по следующим соотношениям:

• для деталей простой конфигурации ;

• для деталей сложной конфигурации ;

• для шестерен с модулем т < 8 .

Превышать приведенные частоты не рекомендуется, так как в этом случае время нагрева увеличивается и резко снижается КПД.

Практически для индукционного нагрева при термической обработке используются три диапазона частот:

1) f = 60000-80000 Гц – для деталей диаметром меньше 3 см при источнике тока от ламповых генераторов;

2) f = 1000-8000 Гц – для деталей диаметром 3-15 см, используя машинные или тиристорные преобразователи;

3) f = 50 Гц – для поверхностного нагрева деталей диметром больше 15 см, а также для сквозного нагрева с питанием от сети. Когда выбрана частота тока и определена глубина нагрева, можно найти время нагрева и мощность генератора. Для этого сначала определяем массу нагреваемого металла G (в килограммах), зная нагреваемую поверхность F (в см²), глубину нагрева δ, см и плотность ρ, г/см³. Затем определяем количество тепла, необходимого для нагрева поверхностного слоя до заданной температуры:

, кДж, (2.55)

где С_t – средняя теплоемкость металла, кДж/(кг·К);

t_м.к и t ₀ – конечная и начальная температура металла ºС.

Далее находим потребное количество тепла с учетом тепловых потерь: , где η_т – термический КПД, учитывающий потери излучением и теплопроводностью.

Время нагрева слоя металла до заданной температуры (τ, с) определяем приближенно, задаваясь удельной мощностью генератора (N_уд.г, кВт/см²):

, с, (2.56)

где F – нагреваемая поверхность металла, см²;

η_общ – общий КПД установки.

.

Термический КПД η_т зависит от частоты тока. Для звуковых частот (1000-10000 Гц) η_т=0,4-0,3, для низкочастотных установок с тепловой изоляцией индуктора η_т=0,8-0,9. Для частот 60-80 кГц КПД определяется степенью перегрева поверхности по сравнению с заданной температурой: при перегреве на 100 ºС η_т=0,12; при перегреве на 200 ºС η_т=0, 21.

Для высокочастотных установок с машинным генератором электрический КПД , КПД катушки индуктора η_инд = 0,75 - 0,80, а КПД трансформатора с железным сердечником η_тр =0,80-0,85. Тогда η_эл = 0,60-0,65. Для высокочастотных установок с ламповым генератором и индукционной установки промышленной частоты - η_эл = 0,55-0,60; η_эл = 0,65-0,75 соответственно.

При одновременном нагреве удельная мощность генератора составляется 0,9-1,1 кВт/см², при непрерывно-последовательном – 1,3-1,5 кВт/см², т.к. часть тепла перетекает от зоны нагрева к зоне охлаждения (закалки). Для глубинного нагрева при передаче тепла теплопроводностью – 0,2-0,6 кВт/см² [7, с. 186].

Зная время нагрева металла τ, находим среднюю мощность, необходимую для нагрева поверхностного слоя металла с учетом тепловых потерь . Затем определяем мощность генератора установки по формуле , где η_эл - электрический КПД.

С целью сокращения времени нагрева и повышения КПД за счет уменьшения потерь излучением и при передаче тепла от поверхности к сердцевине изделия стремятся выбирать большие удельные мощности генератора. Рассмотрим некоторые типичные случаи индукционного нагрева.

Пример 1

Определить условия нагрева ТВЧ шейки коленчатого вала автомобиля при d = 55 мм, ширине закаленного слоя шейки l = 70 мм из стали 45. Глубина закаленного (нагретого ) слоя δ= 4 мм. Температура нагрева 920 ºС (перегрев 100 ºС). Рекомендуемая частота f = 5 · 10⁴ / 4² = 3100 Гц.

Выбираем частоту f = 2500 Гц, применяем машинный генератор.

Масса закаленного слоя .

кг.

Количество тепла, необходимое для нагрева поверхностного слоя до температуры 920 ºС:

кДж.

Учитывая тепловые потери при η_т= 0,4, находим потребное количество тепла:

кДж.

Время нагрева, исходя из удельной мощности генератора 1,1 кВт/см²:

с.

Средняя мощность для нагрева металла с учетом тепловых потерь

кВт.

При КПД η_инд=0,75 и η_тр=0,85 потребная мощность генератора

кВт,

а удельная мощность кВт.

Выбираем машинный генератор мощностью 150 кВт (ВГ-150-2500) [7, с. 160].

Пример 2

Определить время нагрева ТВЧ внутренней поверхности чугунной гильзы внутренним диаметром d = 145 мм при глубине закалки δ=2 мм на ламповом генератора ВЧГЗ-160-0,066 (мощностью 160 кВт, частотой 66 кГц) с использованием непрерывно-последовательного нагрева при температуре 920 ºС (перегрев 100 ºС).

Для упрощения объединяем расчет в одну формулу

При перегреве металла на 100 ºС и использовании ламповой установки (η_т = 0,12, η_эл = 0,6)

с,

где числитель указывает тепло, которое необходимо затратить для нагрева участка гильзы, равного высоте индуктора h=2 см, а знаменатель – тепло, которое выделяется при нагреве ТВЧ в секунду.

В случае непрерывно-последовательного нагрева необходимо обеспечить скорость движения индуктора 2:7,4=0,27 см/с=2,7 мм/с. При высоте гильзы 260 мм время нагрева составит 260:2,7≈96 с.

Пример 3

Определить мощность установки при сквозном индукционном нагреве заготовки (d = 70 мм, l = 200 мм, масса 6 кг) до температуры 1200 ºС и производительности установки 700 кг/ч.

Выбираем частоту 2500 Гц, минимальное время нагрева принимается по рис. 2.14 равным 120 с для частоты 2500 Гц и диаметра заготовки 70 мм. Для обеспечения производительности 700 кг/ч индуктор рассчитываем на одновременную садку:

заготовки.

При толщине футеровки 20 мм и зазоре 5 мм диаметр индуктора

мм.

Длину катушки индуктора берем больше длины нагреваемых деталей на величину диаметра индуктора:

мм.

Тепло, необходимое для нагрева заготовок

кДж.

Принимая термический КПД индуктора η_т = 0,8, находим потребное количество тепла с учетом тепловых потерь: кДж. При времени нагрева 120 с и электрическом КПД η_эл = 0,8 получим подводимую к индуктору мощность:

кВт.

При необходимости следует уменьшить мощность установки, увеличив время нагрева. Время сквозного нагрева круглых заготовок на установках с генераторами разной частоты можно определить по рисунок 2.14, а затем уже скорректировать его в соответствии с мощностью имеющегося генератора.

Рисунок 2.14 – Зависимость времени сквозного нагрева заготовок индукционным способом от их диаметра и частоты тока

Пример 4

Индукционный нагрев головки рельса с учетом передачи тепла теплопроводностью^* (рис. 2.15, на котором форма головки несколько упрощена, но это не влияет на результат расчета).

Дана скорость движения рельса 26 мм/с, нагрев осуществляется в индукторе длиной 3 м из шести катушек. Поверхность рельса нагревается до 920 ºС. Температура у шейки рельса 300 ºС. Используется машинный генератор с частотой 2500 Гц.

δ

Рисунок 2.15 – Глубина прогрева головки рельса при индукционном нагреве

Глубина проникновения токов в изделие при горячем режиме

см,

где μ = 1 Гс/Э;

ρ_t = 1,2·10^-4 Ом·см.

Определим тепло, которое сообщается головке рельса при нагреве за счет токов Фуко в индукторе длиной 3 м. Масса нагреваемого металла ТВЧ

кг.

Тепло для нагрева поверхностного слоя головки рельса за счет ТВЧ:

кДж.

При скорости движения рельса 26 мм/с время пребывания головки рельса в индукторе составляет 3000 : 26 = 115 с. За это время тепло передается теплопроводностью во внутреннюю часть головки рельса и нагревает ее до 300 ºС при средней температуре массы головки рельса

ºС.

Масса головки рельса, нагреваемой за счет теплопроводности:

г = 46 кг.

На нагрев теплопроводностью необходимо затратить тепла:

кДж.

Всего для нагрева головки рельса следует затратить тепла:

кДж.

С учетом тепловых потерь при η_т = 0,4:

Q_т =40100/0,4=100250 кДж, требуемая мощность 100250:115=872 кВт.

Мощность генератора при η_эл= η_инд· η_тр= 0,8 · 0,78 = 0,62

N_г = 872/0,62 = 1406 кВт на одну линию. Ближайший генератор [7,  с. 160] – ВГВ·1500-250. Расчетная удельная мощность генератора

кВт/см²,

где знаменатель – поверхность нагрева в индукторе

см².

Таким образом, заданный режим нагрева рельса вполне обеспечит генератор мощностью 1500 кВт.

2.6 Составление технологической карты термической обработки изделия

Технологическая карта должна содержать параметры всех операций, начиная от посадки изделия в печь до приемки его отделом технического контроля (ОТК), которые позволяют проводить все операции технологического процесса в определенной последовательности по строго заданным параметрам. Она также должна содержать основные данные об обрабатываемом изделии, развернутые требования ТУ и другие необходимые сведения.

Как правило, технологическая карта составляется в табличной форме, но на разных заводах форма технологических карт может существенно отличаться. Для учебных целей во многих случаях может использоваться приведенная в [2, с. 330] форма, или в той или иной мере измененная. Главное, что необходимо в технологической карте, это наличие комплекса сведений и указаний, обеспечивающих четкое выполнение всех без исключения операций технологического процесса, в том числе и оценки качества термообработки. Таблицу рекомендуется располагать повернутой на 90º, т.е. вдоль длинной стороны листа.

2.7 Автоматизация рабочих параметров нагревательных устройств и выбор регулирующих приборов

В современных термических подразделениях заданный режим нагрева изделий в печах и нагревательных установках должен поддерживаться автоматически. Поэтому студенту необходимо запроектировать соответствующие схемы регулирования и выбрать необходимые регулирующие приборы и исполнительные механизмы. Блок-схема регулирования температурно-временных параметров в обязательном порядке приводится в пояснительной записке, а часто также вычерчивается на демонстрационном листе формата А1 или А2. В тех случаях, когда в печах используется какая-либо специальная атмосфера, то должна быть запроектирована система автоматического регулирования состава атмосферы (при ХТО, светлой закалке и др.). Разработанная блок-схема регулирования приводится в записке, где дается ее пояснение, обосновывается принятый принцип регулирования, выбираются необходимые датчики, приборы и исполнительные механизмы. Для топливных печей разрабатывается также блок-схема регулирования давления в рабочем пространстве.

8. Выбор типа задания и планировка оборудования

Выбор типа промышленного здания для размещения термического подразделения производится только в случае проектирования нового термического цеха (отделения). Рекомендации по этому вопросу изложены в [2, с. 355; 3, с. 80]. В случае же выполнения проекта реконструкции оставляется здание базового термического подразделения. Если оно не в полной мере соответствует современным санитарным и другим нормам, то проводится его реконструкция. Например, может быть заменен или установлен светоаэрационный фонарь, сделаны новые или расширены существующие окна, установлены (усилены) колонны под мостовой кран и т.д. В целом же существующее здание должно быть оставлено и именно оно (а не какое-либо другое) вычерчивается на поперечном разрезе и плане реконструированного отделения.

При выполнении проекта нового подразделения оборудование для термической обработки располагают в промышленном каркасном здании [2, с. 332; 4, с. 32]. Начинать планировку необходимо с выбора ширины пролета в зависимости от размеров оборудования и числа рядов оборудования вдоль пролета с учетом выделения необходимых свободных полос между рядами оборудования для его обслуживания, а также для прохода трудящихся, а при необходимости – и для проезда транспорта. Для авто- и электрокар проезд должен быть 2-2,5 м, для автомобилей – 3-3,5 м и для железнодорожных вагонов – 6 м. Свободные полосы шириной 1,5÷2,5 м должны быть оставлены также между стенами (колоннами) и крайними рядами оборудования.

Рисунок 2.16 – Сетка колонн и обозначение их продольных и

поперечных осей на строительных чертежах

После выбора ширины пролета (ширина должна быть кратной 6, т.е. 12, 18…42 м) на лист наносится сетка колонн (система продольных и поперечных осевых линий) и в местах пересечения осевых линий вычерчиваются поперечные сечения колонн, рис. 2.16 [2, с. 333], после чего производится расстановка оборудования на прямоугольной производственной площадке и его привязка к ближайшим осям колонн, т.е. простановка размеров от продольной и поперечной осей до контура оборудования или до оси его симметрии. На технологических планировках оборудование изображается контурными линиями, в определенной мере воспроизводящими вид данного оборудования в плане, т.е. при его рассмотрении сверху. Принятые условные обозначения оборудования приведены в таблице 2.12 и в [3, с. 194].

Основное внимание при расстановке оборудования на плане должно быть уделено организации четкого направленного движения изделий. Чтобы не было противонаправленных перемещений изделий (а желательно исключить и пересекающиеся потоки), расположение оборудования должно быть в такой последовательности, в какой выполняют технологические операции. Например, при термическом улучшении в начале ряда должна быть установлена закалочная печь, затем закалочный бак, за ним моечная машина (ванна), затем отпускная печь, затем бак для охлаждения деталей после высокого отпуска, пресс для правки изделий и т.д. При массовом и крупносерийном производстве все оборудование, необходимое для проведения технологического процесса агрегатируют, т.е. связывают единой неразрывной транспортной системой, обеспечивающей быструю, чаще всего автоматическую передачу изделий из одного вида оборудования в другой, из другого – в третий и т.д. Внутри агрегата движение деталей может быть по замкнутому контуру, что устраняет необходимость возврата поддонов, как это производится в линейных (прямоточных) агрегатах.

Неагрегатированное оборудование должно быть расставлено друг от друга на определенном расстоянии, обеспечивающим удобство обслуживания и ремонта оборудования. Рекомендации по расстоянию между оборудованием и другие правила смотрите в [10, с. 538]. Наконец, при планировке оборудования надо предусмотреть площадки (они изображаются штриховыми линиями) для размещения сырой (не термообработанной) продукции, площадки для контроля и приемки готовой продукции ОТК, площадки для складирования готовой продукции и др.

Если выполняется проект реконструкции, то студент должен проанализировать существующую в базовом термическом подразделении планировку оборудования с целью выявления недостатков и, если это возможно и целесообразно, их устранения путем перестановки части агрегатов. В тех случаях, когда часть устаревших агрегатов заменяется на более совершенные, новые единицы оборудования должны быть установлены на освободившейся площади с соблюдением тех же норм, которые выполняются при планировке нового термического подразделения. В этих случаях студент должен вычертить две планировки: одну базового подразделения, а вторую – реконструированного подразделения.

Таблица 2.12 – Условные обозначения оборудования на планировках