способ индукционного нагрева плоских металлических изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПЛОСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ до заданной температуры T_зад, при котором два плоских индуктора, встроенные в технологическую линию, между которыми расположено нагреваемое изделие, подключает на полное напряжение питания централизованного источника на заданное время t_н, а верхним подвижным индуктором регулируют зазор между ними и изделием при cos индукторов, близким к единице, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса и повышения равномерности нагрева, нагрев производят в три этапа, на первом из которых устанавливают минимально возможный зазор и поддерживают мощность в контуре верхнего индуктора на уровне половины максимальной P_мах, на втором этапе зазор увеличивают по экспоненциальному закону до достижения величины минимальной мощности P_min в контуре, на третьем этапе мощности поддерживают на уровне P_min, при этом мощность в контуре нижнего стационарного индуктора на всех этапах нагрева поддерживают на уровне P_мах/2, а P_min выбирают из соотношения P_min < 1/3 P_мах,

причем P_мах определяют по соотношению



где C удельная теплоемкость изделия;

m масса изделия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в высокопроизводительных процессах индукционного нагрева перед обработкой металла давлением.

Известен способ управления поверхностным нагревом заготовок [1] Нагрев ведут периодически повторяющимися стадиями в два этапа, на первом из которых проводят нагрев заготовок, подключая источник питания, а на втором выравнивают температуру по сечению заготовки отключением источника питания, на обоих этапах контролируют температуру поверхности и центра заготовки и при равенстве этих температур и достижении ими нижнего допустимого предела конечной температуры выгружают заготовку из печи. С целью снижения брака по неравномерности нагрева в переходных режимах при нагреве в методических печах определяют значение средней температуры всех заготовок в начале этапа нагрева последней стадии и отключают источник питания по достижении средней температурой конечного значения.

Недостатком данного способа является ограниченная производительность нагрева.

Известен способ термообработки металлических изделий в индукторе [2] Производят нагрев изделий подключением индуктора на полное напряжение питания на заданное время, затем отключают индуктор и выдерживают изделие в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению, причем нагрев ведут с изменением частоты питания и поддерживают при этом cos близким к единице. С целью увеличения производительности процесса нагрев проводят в три этапа, на первом из которых частоту питания поддерживают на уровне f_max, на втором этапе плавно снижают частоту до величины f_min, на третьем частоту поддерживают на уровне f_min.

Существенным недостатком способа термообработки являются ограниченные производительность и равномерность нагрева изделий. Другим недостатком является сложность реализации частотного регулирования, вызванного электромеханическими или вентильными преобразователями, а также изменением термофизических свойств нагреваемых изделий.

Сущность способа нагрева заключается в том, что при нагреве плоских металлических изделий до заданной температуры Т_зад, при котором два плоских индуктора, встроенные в технологическую линию, между которыми расположено нагреваемое изделие, подключают на полное напряжение питания централизованного источника на заданное время t_н, а верхним подвижным индуктором регулируют зазор между ним и изделием при cos индукторов, близким к единице, нагрев производят в три этапа, на первом из которых устанавливают минимально возможный зазор и поддерживают мощность в контуре верхнего индуктора на уровне половины максимальной Р_max, на втором этапе зазор увеличивают по экспоненциальному закону до достижения величины минимальной мощности P_min в контуре, на третьем этапе мощность поддерживают на уровне Р_min, при этом мощность в контуре нижнего стационарного индуктора на всех этапах нагрева поддерживают на уровне а P_min выбирают из соотношения P_min< P_maxпричем Р_max определяется по соотношению

P_max= где C удельная теплоемкость изделия;

m масса изделия.

На фиг. 1 представлена иллюстрация, поясняющая способ индукционного нагрева плоских металлических изделий; на фиг. 2 закон изменения зазора между верхним индуктором и нагреваемым изделием; на фиг. 3 программа изменения мощности в контуре верхнего индуктора; на фиг. 4 диаграмма распределения температурных полей по толщине заготовки; на фиг. 5 устройство для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 6 конструкция индукторов для осуществления предлагаемого способа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит верхний индуктор 1, нижний индуктор 2, электродвигатель 3, редуктор 4, нагреваемое изделие 5, рольганг 6, задатчик 7 мощности, регулятор 8 мощности, регулятор 9 скорости, регулятор 10 тока, управляемый тиристорный преобразователь 11, якорную цепь 12 и механическую инерционную часть 13 электродвигателя 3, интегрирующее звено редуктора 14, коэффициент 15 передачи индуктора, датчик 16 тока; датчик 17 скорости; датчик 18 мощности.

Индукторы содержат первый 19 и второй 20 многопозиционные переключатели. Верхний индуктор 1 выполнен подвижным, а нижний индуктор 2 неподвижным. Между индукторами 1 и 2 находится нагреваемое плоское металлическое изделие 5. Для перемещения верхнего индуктора относительно изделия служит электродвигатель 3, на одном валу с которым находится датчик 17 скорости. Электродвигатель 3 посредством редуктора 4 с шарико-винтовой парой перемещает индуктор 1. Нагреваемое изделие 5 поступает в зону нагрева по рольгангу 6. Датчик 18 мощности измеряет мощность в контуре верхнего индуктора 1.

Для оптимального нагрева изделия до Т_зад интервал нагрева проводят в три этапа (фиг.2), регулируя мощность Р (фиг.3) в контуре индуктора 1 зазором h между ним и нагреваемым изделием. На первом этапе интервала нагрева (t₁) зазор минимальный h_min, а мощность в контуре индуктора 1 имеет максимальное значение. Первый этап интервала нагрева заканчивается при достижении температурой верхней поверхности изделия Т_пов⁽¹⁾ 1,1 Т_зад (фиг. 4). На втором этапе (фиг. 2) интервала нагрева (t₂-t₁) зазор увеличивают до минимального значения Р_min мощности в контуре индуктора 1. На третьем этапе интервала нагрева (t_н-t₂) мощность в контуре индуктора 1 поддерживают минимальной на уровне P_min. Мощность в контуре индуктора 2 на трех этапах интервала нагрева поддерживают постоянной на максимальном значении .Интервал нагрева заканчивается (фиг.4) по достижении температурой нижней поверхности изделия Т_пов⁽²⁾ 0,9 Т_зад и наступает интервал выдержви (t_в), необходимый для выравнивания температуры центра Т_ц с температурами Т_пов⁽¹⁾, Т_пов^{(2 )}и температурой слоя, прогретого выше Т_зад изделия, при котором централизованный источник питания полностью отключен. Интервал выдержки заканчивается по достижении температурами Т_ц, Т_пов⁽¹⁾, Т_пов⁽²⁾ равенства на уровне Т_зад

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Токовый контур (фиг. 5), в составе 10-12,16, настроен на технический оптиум и компенсирует электромагнитную постоянную времени якорной цепи Т_я. Переходный процесс в контуре определяется малой постоянной времени токового контура Т_m^т. Регулятор 10 тока имеет пропорционально-интегральную зависимость выходного напряжения от входного. Скоростной контур в составе 9, 13,17, настраивается на технический оптиум и компенсирует электромеханическую постоянную времени Т_м механической инерционной части 13 электродвигателя 3. Переходный процесс в контуре определяется удвоенной малой постоянной времени скоростного контура Т_m^c. Регулятор 9 скорости пропорционального типа стабилизирует скорость электродвигателя 3 на заданном уровне и задает уровень напряжения входного сигнала регулятору 10 тока. Контур мощности, в составе 8, 14, 15, 18, настраивается на симметричный оптиум и компенсирует учетверенную малую постоянную времени контура мощности Т_m^p. Переходный процесс в контуре определяется удвоенной малой постоянной времени контура мощности Т_m^p. Регулятор 8 мощности пропорционально-интегрального типа стабилизирует мощность в контуре индуктора 1 на заданном уровне и задает напряжения входного сигнала регулятору 9 скорости.

Работа устройства при изменении момента нагрузки М_н на валу электродвигателя 3 следующая. При увеличении М_н на валу электродвигателя сигнал обратной связи с датчика 17 уменьшается, а ошибка на входе регуляторе 9 увеличивается. Выходное напряжение регулятора 9 скорости увеличивается, повышая уровень входного напряжения на регуляторе 10 тока, выходное напряжение которого увеличивается. Напряжение на выходе преобразователя 11 растет и скорость электродвигателя 3 восстанавливается с точностью до статизма. Аналогично работает устройство при уменьшении момента нагрузки на валу электродвигателя 3.

Работа устройства в процессе индукционного нагрева следующая.

Источник централизованного питания включают на полное напряжение. Задатчик 7 мощности задает сигнал входного напряжения, соответствующий максимальному уровню мощности в контуре индуктора 1, на вход регулятора 9 мощности. Появляется напряжение на выходах элементов 9-11 и электродвигатель 3, вращаясь, приближает индуктор 1 через редуктор 4 к нагреваемому изделию 5 до максимального значения мощности Р_max/2 в контуре индуктора 1. Привод включается при равенстве напряжений с задатчика 7 мощности и датчика 18 мощности. При переключении задатчика 7 мощности на сигнал входного напряжения, соответствующий минимальному уровню мощности в контуре индуктора 1, входной сигнал с регулятора 8 уменьшается, что приводит к уменьшению выходных напряжений с элементов 9-11 и отодвиганию индуктора 1 от нагреваемого изделия 5 до минимального значения P_min мощности в контуре индуктора 1. Привод выключается при равенстве напряжений с задатчика 7 мощности и датчика 18 мощности.

В целях экономичного расхода активной мощности питающего напряжения при смене номенклатуры нагреваемых изделий индукторы выполнены с многопозиционными переключателями 19 и 20, позволяющие включать необходимое количество внутренних и внешних витков индукторов, в зависимости от габаритных размеров нагреваемых изделий.

Цикл нагрева выдержка цилиндрической стальной кольцевой заготовки с внешним диаметром 850 мм внутренним диаметром 250 мм и высотой 145 мм до 1100^оС характеризуется следующими параметрами. В качестве централизованного источника питания двух кольцевых спиральных индукторов с внешним диаметром 1000 мм и внутренним диаметром 250 мм используется индукционная установка УПИ2-500/1Н с преобразователем частоты ППЧВ-500-1,0-6000 с управлением по цепи возбуждения. На первом этапе интервала нагрева поддерживается максимальная 1/2 P_max 250 кВт мощность в контуре индуктора 1. Этот этап заканчивается в момент времени t₁, когда верхняя поверхность изделия достигает температуры, равной Т_пов⁽¹⁾ 1,1 Т_зад 1310^оС. Время t₁ равно 6,3 мин. Затем увеличивают зазор между верхним индуктором и изделием и снижают мощность в контуре индуктора 1 до уровня Р_min 166 кВт в течение t₂-t₁ 8 с, после чего поддерживают мощность в контуре верхнего индуктора на уровне P_min 166 кВт, на протяжении t_н t₂ 1,50 мин. Диапазон изменения зазора лежит в пределах 10-100 мм. Мощность в контуре нижнего индуктора на трех этапах интервала нагрева поддерживают на уровне 1/2 Р_max 250 кВт в течение t_н 8,00 мин. Момент времени t_н фиксируется по достижении нижней поверхностью изделия температуры Т_пов⁽²⁾ 0,9 Т_зад 990^оС. На этом заканчиваются три этапа интервала нагрева длительностью t_н. На интервале выравнивания температур длительностью t_в1,5 мин централизованный источник питания полностью отключается. Момент окончания всего цикла нагрева выдержки изделия фиксируется при достижении равенства температуры поверхностей и центра изделия на уровне 1100 40^оС. Длительность цикла нагрев выдержка изделия определяется t_н+ t_в8,00 + 1,5 9,50 мин при точности нагрева ( 40^оС). Сравнение предлагаемого способа управления с частотным управлением показывает, что минимальное время цикла нагрев выдержка указанной заготовки, при регулировании частотой питающего напряжения и точности ( 45^оС) составляет 18,2 мин. Таким образом, время цикла нагрев выдержка при заявленном способе нагрева сокращается в среднем на 10 мин при одновременном достижении качества нагрева ( 40^оС). В качестве привода перемещения верхнего индуктора использовано устройство воспроизведения движения УВЗ-21, изготавливаемое Новосибирским электромеханическим заводом с приводом типа 1ЭМ8-012, имеющим усилие на штоке при заторможенном роторе 8КН. Приводной электродвигатель имеет мощность Р 1,3 кВт, номинальный ток I_н 23А, напряжение питания U 45,5 В. Годовой экономический эффект от внедрения способа и устройства для его осуществления составляет величину порядка 494100 руб. за счет существенного сокращения угара металла и уменьшения числа бракованных изделий.