Реферат

Дипломная работа: 150 с., 48 рис., 33 табл., 16 приложений, 21 источник литературы.

ИНДУКТОР, ЧАСТОТА, ВТУЛКА, ЗАКАЛКА, ТОКОПОДВОД, ЗАГОТОВКА, КОНДЕНСАТОР, ОХЛАЖДЕНИЕ, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

В данном дипломном проекте разработана индукционная закалочная установка.

Приведены результаты исследований и дано краткое описание наиболее существенных изобретений. Представлено описание технологического процесса и установки. Приведены тепловой и электрический расчеты. Представлен расчет водоохлаждения, механизма загрузки и выгрузки заготовок, конденсаторных банок и токоподвода. Разработана конструкция индуктора. Разработаны принципиальная электрическая схема и схема управления, сигнализации и защиты установки. Произведен выбор основного электрооборудования. Рассмотрены вопросы безопасности и экологичности проекта. Рассчитана себестоимость конечной продукции.

Особое внимание в дипломном проекте удалено исследованию температурных полей втулок, нагретых в индукционной установке ИЗТ1–320/1, и влиянию на них взаимного расположения витков индуктора индукционной закалочной установки ИЗТ1–320/1.

ABSTRACT

Thesis: 150 pages, 48 fig., 33 tables, 16 applications, 21 source literature.

INDUCTOR, FREQUENCY, CONDUCTOR, DETAIL, BUNKER, TEMPERATURE, GOODS, PROFIT, POLLUTING MATERIAL, POWER SOURCE                                                                                                                          

In this thesis project developed induction hardening plants.

Given results of studies and a brief description of the most significant inventions. Given description of the process and installation. Given thermal and electrical calculations. The calculation of water cooling, the mechanism for loading and unloading workpieces, capacitor cans and electrical power supply. Given design of the inductor. Developed a circuit diagram and a control circuit signaling and protection installation. Made a choice of main electrical equipment. The issues of safety and environmental project. Calculated cost of the final product.

Particular attention in the capstone project removed study of the temperature fields, bushes, heated in an induction installation IZT1-320/1, and the influence on them of the mutual arrangement of the inductor coils induction hardening installation IZT1-320/1.

Содержание Введение 7

1. Литературный обзор применения индукционных установок для нагрева и закалки заготовок 9

2. Патентные исследования индукционных закалочных установок 20

3. Описание установки и технологического процесса 30

4. Расчет и проектирование элементов индукционной установки 38

4.1 Обоснование выбора конструкции 38

4.2 Тепловой и электрический расчеты индуктора 39

4.3 Расчет охлаждения витков индуктора методического действия 43

4.4 Расчет конденсаторной батареи 46

5. Выбор и проектирование механизма загрузки и выгрузки заготовок 48

6. Разработка конструкции индуктора 51

7. Разработка принципиальных электрических схем, описание их работы 56

7.1 Схема питания 56

7.2 Схема управления, защиты и сигнализации 57

8. Выбор основного оборудования 65

8.1 Выбор комплектной трансформаторной подстанции. 65

8.2 Расчет токов короткого замыкания выше 1 кВ 66

8.3 Расчёт тока к.з. в установках до 1 кВ 69

8.4 Выбор силового оборудования 72

9. Сопряженная математическая модель электромагнитных и тепловых процессов индукционного нагрева 78

10. Реализация математической модели методом конечных элементов в структуре средств Femlab 85

10.1 Постановка задачи 85

10.2 Допущения при моделировании в среде FEMLAB 86

10.3 Реализация модели в среде в COMSOL Multiphysics 86

11. Адекватность реализованной математической модели в Femlab 101

12. Выбор системы автоматического регулирования 109

12.1 Общая структура САР индукционной ЭТУ 109

12.2 Регулятор электрического режима полупроводникового преобразователя частоты ППЧ 110

13. Бизнес-проект участка термического цеха 114

13.1 История вопроса 114

13.2 Резюме 115

13.3 Маркетинг и конкуренция 115

13.4 Продукция 116

13.5 Расчет технико-экономических показателей цеха 116

14. Безопасность и экологичность проекта 134

14.1. Метеорологические явления в термическом цехе при эксплуатации КИН 134

14.2. Расчет искусственного освещения термического цеха с КИН 135

14.3. Методы защиты от электромагнитных полей КИН 136

14.4. Расчет контурного защитного заземления КИН 138

14.5. Профилактика пожарной безопасности в цехе с КИН 143

Заключение 147

Список литературы 149

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей открывает закон электромагнитной индукции. Затем француз Леон Фуко подробно исследует частный случай этого явления: наведение токов в сплошных металлических телах. В середине XIX века англичанин Джеймс Максвелл разрабатывает общую электромагнитную теорию, позволяющую рассчитывать силы токов, индуктированных в массивных проводящих телах [2].

В основе работы индукционной установки лежит принцип действия трансформатора, в котором используется закон электромагнитной индукции. Впервые трансформатор был применен русским изобретателем Яблочковым в 1878 году.

Тем не менее, развитие индукционного нагрева относится в ос­новном к XX веку, и в особенности ко второй его четверти. Отно­сительно позднее развитие индукционного нагрева при наличии основных научных предпосылок объясняется отсутствием источни­ков тока достаточной мощности, а также сравнительно низким уровнем развития промышленности того времени, не нуждавшейся в высокопроизводительных методах нагрева и не предъявлявшей столь высоких требований к материалам, технологии и автоматиза­ции процессов, как в наше время. [2]

Изобретение А. С. Поповым радио стимулировало ученных всего мира работать над созданием высокочастотных генераторов, сначала электромашинных, а затем и электронных, единичная мощность которых в наше время доходит до нескольких мегаватт.

В 20-х годах XX века в Нижегородской радиолаборатории был создан ряд мощных высокочастотных электромашинных гене­раторов, предназначавшихся тогда для радиостанций дальней связи, разработаны мощные генераторные лампы.

На основе этих работ завод «Электрик» в Ленинграде с начала 30-х годов начал выпускать промышленные тигельные печи емкостью от 10 до 600 кг, мощностью до 600 кВт, питаемые током с частотой от 10 000 до 500 Гц соответственно, раз­работанные в лаборатории проф. В. П. Вологдина в ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина).

Тигельные индукционные печи послужили прообразом много­численных установок индукционного нагрева с целью осуществле­ния различных технологических операций. В 1935 г. проф. В. Г. Во­логдиным и инженером Б. Н. Романовым был предложен новый метод поверхностной закалки при индукционном нагреве, быстро завое­вавший всеобщее признание благодаря невиданной ранее произво­дительности, малой энергоемкости и огромным возможностям авто­матизации процесса.

Ведущими организациями в исследовании и разработке систем индукционного нагрева являлись ВНИПКИ токов высокой ча­стоты имени В. П. Вологдина (НИИТВЧ) и ВНИИЭТО, Москов­ский автомобильный завод имени Лихачева, Горьковский автомо­бильный завод и др.

Параллельно с развитием индукционного нагрева металлов ве­лись разработки в области высокочастотного нагрева диэлектриков. Первые опыты по сушке древесины в электромагнитном поле вы­сокой частоты провел в 1930—1934 гг. Н. С. Селюгин (ЦНИИ ме­ханической обработки древесины) и одновременно А. И. Иоффе. Опыт советских исследователей был широко использован за рубе­жом. В иностранной литературе указывается на приоритет СССР. В дальнейшем этот метод получил широкое промышленное примене­ние для нагрева пластмасс и других материалов с целью прессования, сварки, склеивания и т. д. Диапазон используемых частот 10⁵—10¹⁰ Гц.

Использование в промышленности индукционного нагрева способствует созданию высокопроизводительных, эффективных технологических процессов, повышению автоматизации производства, увеличению производительности труда, а также повышения качества продукции, что является одним из важнейших факторов при выпуске продукции.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ НАГРЕВА И ЗАКАЛКИ ЗАГОТОВОК

Принцип индукционного нагрева заключается в превращении в тепло электромагнитной энергии, поглощаемой нагреваемым металлом. Физически этот процесс состоит в возбуждении в нагреваемом металле э.д.с., создающей в нем переменный ток; тепловая энергия, выделяемая этим током, и является причиной нагрева металла. Источником электромагнитного поля в установках индукционного нагрева служит индуктор, чаще всего имеющий вид соленоида (цилиндрической катушки из сплошного или трубчатого медного провода). [3]

Преимущества индукционного нагрева по сравне­нию с другими методами нагрева заключаются в сле­дующем.

1. Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой на­грев проводниковых материалов и значительно увели­чить его скорость по сравнению с печами косвенного нагрева, где изделия нагреваются только с поверхности.

2. Передача электрической энергии в нагреваемое тело при индукционном нагреве не требует контактных устройств, что значительно упрощает конструкцию на­гревателей и позволяет применять этот метод в усло­виях автоматизированного поточного производства с применением вакуума и защитных сред.

3. Благодаря явлению поверхностного эффекта ма­ксимальная мощность выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия и тем самым индукционный ме­тод при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверх­ности изделия и позволяет получить высокую твер­дость поверхности, сохраняя сердцевину относительно вязкой. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделий.

4. Индукционный метод нагрева в большинстве случаев позволяет повысить производительность труда и значительно улучшить санитарно-гигиенические усло­вия производства. [3]

Индукционный нагрев проводниковых материалов широко применяют для:

а) термической обработки деталей;

б) сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой, прессованием, про­каткой и т. п.);

в) плавки металлов;

г) пайки и наплавки;

д) сварки металлов;

е) химико-термической обработки изделий.

Индукционные установки по способу загрузки и характеру работы бывают периодического и непрерывного действия. Индукционные установки непрерывного действия могут входить в состав поточной и автоматической технологической линии.

Сквозной индукционный нагрев применяют для нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением (ковка, штамповка, прокатка, волочение и т.д.), а также нагрев под термообработку (закалка, отпуск). Наиболее широкое применение сквозной нагрев нашел в кузнечном производстве. Нагрев осуществляется обычно при малой удельной мощности, передаваемой в заготовку, что позволяет исключить оплавление поверхности раньше, чем сердцевина достигнет ковочной температуры.

Цель нагрева − получение необходимой температуры с минимально допустимым отклонением её по объему заготовки. Сквозной нагрев используется для обработки стали различных типов, от малоуглеродистых до легированных, сплавов титана, алюминия, меди и других металлов. Для сталей средняя температура находится в пределах 8501250ºС с допустимым отклонением ±(25100)ºС. Обычно при­нимают максимальную температуру нагрева стали, а перепад температуры[1].

При нагреве заготовок из легированных сталей, вводится ограничение на перепад темпера­тур в диапазонеиз-за опасности возникновения внутренних трещин от термических напряжений [2].

При малой удельной мощности тепловые потери с поверхности заготовки значительно снижают КПД нагрева. Поэтому между поверхностью и индуктирующим проводом располагают тепловую изоляция. Производительность ковочных агрегатов − 35 заготовок в минуту. Для обеспечения непрерывной загрузки ковочных агрегатов в индукторе должно находиться несколько заготовок. Длина индуктора получается большей, так что на ней легко поместить индуктирующий провод с числом витков, достаточным для прямого подсоединения его к источнику тока.

Сквозной нагрев металлов характеризуется высокими требованиями с точки зрения экономичности процесса и качества готового продукта.

Основные требования:

1. Нагрев с минимальным окислением. Низкое содержание окалины, отсутствие поверхностного обезуглероживания;

2. Равномерность распределения температуры по объему заготовки;

3. Незначительное отклонение температуры от заданного значения;

4. Малые инвестиционные затраты;

5. Малые эксплуатационные расходы (высокий КПД, малые энергозатраты, высокая надёжность, простое техническое обслуживание и возможность ремонта, низкий процент брака при наладке);

6. Высокая производительность;

7. Быстрая готовность к работе;

8. Отсутствие ущерба, наносимого окружающей среде (низкая загрязнённость производственной территории отработанными газами, теплом и шумами).

К основным недостаткам относятся высокие расходы на энергоноситель и капитальные затраты на сооружение высокочастотных установок. Поэтому экономическая эффективность применения индукционного нагрева в каждом конкретном случае различна и в первую очередь определяется степенью реализации всех его преимуществ.

Индукционный нагрев целесообразно применять:

• в автоматических линиях или специализированных агрегатах (в отдельных случаях только индукционный нагрев позволяет создавать автоматическую линию или специализированный агрегат);

• для нагрева легированных сталей или легкоокисляемых металлов и сплавов (уменьшается расход дорогостоящих материалов);

• в уникальных агрегатах (обеспечивается максимальная загрузка агрегатов);

• в обычных цехах.

Во всех случаях величина экономического эффекта от внедрения индукционного нагрева повышается в цехах с небольшой номенклатурой заготовок по типоразмерам и в цехах, где преобладают прессы или специальные агрегаты [1].

При сквозном индукционном нагреве поверхностный эффект должен быть выражен слабо.

Классификация установок сквозного индукционного нагрева.

По технологическому значению:

1. установки для обработки металла давлением;

2. под термическую обработку.

По принципу действия:

1. установки периодического действия;

2. установки методического действия, которые подразделяются на:

   1. установки полунепрерывного действия;

   2. установки непрерывного действия.

По применяемой атмосфере:

1. с окислительной атмосферой;

2. с защитной атмосферой;

3. вакуумные установки.

По частоте питающего напряжения:

1. установки пониженной частоты - для нагрева крупногабаритных заготовок ();

2. установки промышленной частоты ();

3. установки повышенной средней частоты ();

4. установки высокой частоты ().

По расположению индуктора:

1. с горизонтально расположенным индуктором;

2. с вертикально расположенным индуктором (при нагреве крупногабаритных заготовок, диаметра заготовки более ). [4].

Индуктор – основной элемент индукционных нагревателей. Распространены индукторы цилиндрического, оваль­ного и щелевого типа. В овальных (прямоугольных), реже щелевых индукторах, нагревают прямоугольные тела. Для цилиндриче­ских тел используют индукторы всех трех типов, причем в овальных индукторах цилиндры могут располагаться вдоль или поперек оси индуктора (нагрев в продольном или поперечном поле индуктора). Для нагрева лент и пластин толщиной менее двух глубин проникновения эффективно использование индукторов поперечного поля. Тип ис­пользованного индуктора во многом определяет конструкцию и технико-экономические показатели всего нагревателя.

Наиболее часто нагрев осуществляется при постоянстве напря­жения на 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.

В индукторе нагревателя методического действия несколько относительно коротких заготовок размещаются одна за другой. По мере нагрева они выталкиваются по одной и заменяются холодными. Таким образом, в процессе нагрева каждая заготовка перемещается через определенные заданные промежутки времени на длину одной заготовки и проходит весь индуктор. [1]

Заготовки, расположенные у выходного конца индуктора и нагретые выше точки магнитных превращений, потребляют мощность, меньшую, чем заготовки находящиеся в ферромагнитном состоянии, расположенные со стороны загрузки. Однако полная потребляемая мощность остается постоянной, если не учитывать кратковременного переходного режима, сопровождающего перемещение заготовки. [1]

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 спрейер, 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.

Желательно, чтобы в индукторе находились не менее трех заготовок, так как электрический режим работы нагревателя в момент загрузки холодной заготовки и выгрузки нагретой в этом случае остается практически без изменения.

В индукторе периодического действия нагревается только одна заготовка в течение времени , достаточного для прогрева ее до ковочной температуры и до заданной степени равномерности распределения её по объему заготовки.

Широкое распространение получили кузнечные индукционные нагреватели методического действия серии КИН–К с кулисным приводом толкателя, предназначенные для нагрева мерных заготовок по всей длине из стали, цветных металлов и их сплавов цилиндрического и квадратного сечения в широком диапазоне типоразмеров [1].

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. [2]

Прутки загружаются в индуктор вручную и после нагрева также вручную извлекаются. Продолжительность нагрева регулируется реле времени.

Для индукционных нагревательных установок повышенной частоты характерно разнообразие исполнений, связанное с различными технологическими функциями индукционного нагрева. Производительность, мощность и другие параметры установок должны быть согласованы с соответствующими параметрами технологического оборудования, в комплексе с которым он работает. Этим технологическим оборудованием в основном определяется и конструкция индукционного нагревателя.

Индуктор является наиболее уязвимым элементом нагревателя. Срок службы в значительной мере определяется условиями эксплуатации.

В заграничной практике дополнительно в индуктор вставляют керамические (на основе карборунда) цилиндры с толщиной стенки 5-10 мм. Слой бетона внутри в этом случае делается тоньше. Цилиндры предохраняют бетон и нитки. Сами они при повреждениях легко заменяются. [3]

Ряд особенностей заставляет выделить частоту 50 Гц отдельно, хотя основные закономерности и методы расчета те же, что и на средних частотах. Главными преимуществами использования ча­стоты 50 Гц являются:

1) снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты;

2) уменьше­ние времени нагрева изделий.

Эти преимущества наиболее полно реализуются в установках большой мощности, в особенности при нагреве хорошо проводящих материалов (сплавы меди и алюми­ния), когда КПД индуктора составляет всего 40—60% и допол­нительные потери в преобразователе велики.

Частота 50 Гц применяется главным образом для сквозного нагрева крупно­габаритных цилиндрических или прямоугольных слитков из стали, титана, алюминия и меди под прокатку и прессование, а также для низкотемпературного нагрева стальных изделий. Проектирова­ние установок промышленной частоты связано с рядом особенно­стей:

1) усложняется управление режимом нагрева;

2) резко воз­растают электродинамические усилия и создаваемые ими вибрации;

3) в установках большой мощности необходима равномерная за­грузка фаз [2].

Капитальные затраты установки в основном определяются стоимостью источников питания, конденсаторной батареи, нагревателя и связанными с ними строительно-монтажными работами.

Необходимость использования трехфазной системы вызывает особые требования к выбору схемы нагрева на промышленной частоте. Известно несколько разновидностей схем:

1. Нагрев в однофазном индукторе аналогичен нагреву на средней частоте. Такая схема удобная для создания наиболее простой конструкции нагревателя и средств автоматического управления. Однако она не обеспечивает равномерную загрузку фаз питающего трансформатора, типовая мощность которого в этом случае должна быть увеличена в 1,73 раза. Неравномерность загрузки дополнительно вызывает перекос фаз в энергосистеме.

2. Нагрев одновременно в трех однофазных индукторах, соединенных в трехфазную систему. Три индуктора могут быть расположены в ряд или в линию.

Практика показывает, что такая схема может быть рекомендована только для нагрева длинных заготовок (больше 1,5 м.) при их непрерывном (или шаговом) перемещении.

Известно, что объем и вес электроаппаратуры уменьшается при увеличении частоты тока. Вес индукторов для нагрева заготовок на промышленной частоте при той же производительности в несколько раз больше, чем на повышенной частоте. Повышенные вибрации вызывают нарушения сварных швов, повреждения изоляции витков и керамики (особенно в индукторах для нагрева прямоугольных заготовок), требует усиленных конструкций креплений. Пробои между витками или короткое замыкание вызывают значительные повреждения индукторов. На повышенной частоте повреждения легко устранимы.

В практике промышленная частота широко и успешно применяется для нагрева алюминия и меди перед выдавливанием.

Промышленную частоту целесообразно использовать только для нагрева заготовок сравнительно больших диаметров. Стремление расширить область применения на меньшие диаметры привело к двухчастотному нагреву. Двухчастотный нагрев предусматривает последовательный нагрев заготовок из ферромагнитных материалов на двух частотах: промышленной (до температуры ) и повышенной (до). Поскольку КПД индуктора определяется отношением глубины проникновения к размерам заготовок, а глубина проникновения в холодном режиме много меньше, чем в горячем, на обеих частотах обеспечивается высокий КПД, даже при сравнительно небольших диаметрах [1].

Метод объемно-поверхностной закалки стали (метод ОПЗ) разработан и получил промышленное применение в России для упрочнения ответственных, тяжелонагруженных деталей машин.

Метод ОПЗ имеет существенные технико-экономические преимущества пред известными, применяемыми в промышленности методами термического упрочнения:

1. Метод ОПЗ позволяет получить поверхностную, контурную закалку и одновременно упрочненную сердцевину на деталях сложной формы: шестернях, крестовинах и других с достижением рекордно высоких прочностных и служебных свойств по сравнению с другими методами упрочнения - цементацией, нитроцементацией, термическим улучшением и т.д.

2. Метод ОПЗ позволяет заменить длительные и трудоемкие процессы термической обработки. При этом вместо легированных сталей применяют специальные углеродистые стали пониженной прокаливаемости (стали "ПП"). Это позволяет при производстве конструкционных сталей снижать расход легирующих элементов (ферросплавов) в 3-7 раз и уменьшать их стоимость на 30-50%. Кроме того, по сравнению с цементацией и термическим улучшением достигается экономия за счет уменьшения расхода энергоносителей и замены закалки деталей в масле закалкой быстро движущейся водой.

3. Для ряда металлоемких деталей метод ОПЗ создает возможность снижать их массу (вес), например для рессор, на 25-30%.

4. При использовании метода ОПЗ достигается полная экологическая чистота процесса, так как используется только электронагрев и техническая вода без каких-либо добавок.

Прокаливаемость − "идеальный критический диаметр", величина которого находится в пределах от 8 до 16 мм.

Метод ОПЗ основан на использовании специально созданных для этого процесса сталей, прокаливаемость которых согласована с размерами рабочего сечения деталей так, чтобы поверхностный слой детали при охлаждении быстро движущейся водой закаливался на структуру мартенсита (HRC≈60), а сердцевина − на структуру троостита и сорбита (HRC = 3045). Для деталей с небольшими размерами рабочего сечения (диаметром или толщиной до 20 мм: шестерни среднего модуля, крестовины, рессоры и другие) стали для метода ОПЗ должны иметь прокаливаемость более низкую, чем прокаливаемость стандартных углеродистых конструкционных сталей, которые имеют наиболее низкую прокаливаемость из всех конструкционных сталей.