Способ индукционного нагрева заготовок

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному и кузнечно-прессовому производству . Целью изобретения является повышение производительности процесса. Способ включает нагрев несинусоидальным напряжением низкой частоты до точки Кюри, вьше точки Кюри - синусоидальным напряжением высокой частоты . Использование способа позволяет сократить время нагрева на 35% по сравнению с нагревом синусоидальным напряжением. При этом КПД установки не уменьшается, т.к. основная часть энергии поступает в заготовку на высокой частоте. 3 ил. (Л 00 а 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (511 4 С 21 D 1/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4097088/31-02 (22) 29.07.86 (46) 23. l2.87. Бюл. Р 47 (7i) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И.Носова (72) Н.В.Долматов (53) 62 1.783 (088.8) (56) Рыскин С,Е. Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности, — Л,: Машиностроение, 1979, с, 5.

Шамов А.И., Бодажков В.А. Проекти.рование и эксплуатация высокочастотных установок. — Л.: Машиностроение, 1974, с. 21. (54) СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

ЗАГОТОВОК (57) Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному и кузнечно-прессовому производству. Целью изобретения является повышение производительности процесса.

Способ включает нагрев несинусоидальным напряжением низкой частоты до точки Кюри, вьппе точки Кюри — синусоидальным напряжением высокой частоты. Использование способа позволяет сократить время нагрева на 35Ж по сравнению с нагревом синусоидальным напряжением, При этом КПД установки не уменьшается, т.к. основная часть энергии поступает в заготовку на высокой частоте. 3 ил.

1361187 — 244 В

Ь, = 0,075 м, = 0,037 м, ,= 0,028 м. = 44,88 с, д = 179,42 с, 314, 16 с,"

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к прокатному,и кузнечно-пресеовому производству.

Целью изобретения является повышение производительности процесса.

Способ включает нагрев до температуры точки Кюри электромагнитным полем, образованным несинусоидальным периодическим напряжением низкой частоты, выше температуры точки Кюри — электромагнитным полем, образованным синусоидальным напряжением высокой частоты, Пример 1. В индукторе длиной 0,67 м, содержащем 25 витков диаметром 0,225 м, производят нагрев заготовки из углеродистой стали с содержанием углерода 0,45%. Диаметр заготовки 0,15 м, длина 0,45 м. До

750 С (до точки Кюри) осуществляют режим холодного нагрева путем подачи к индуктору 3 от преобразователя

1 через контакты КП несинусоидального периодического напряжения с заданным составом рабочих гармоник

U(t) = 53 ° sin 44,88t +

+ 170 .sin 179,42t +

+ 295, s in 314, 16 t,. действующее значение которого равно

При достижении 750 С контакты КП а размыкают а контакты КС (фиг.1) замыкают, подают к индуктору синусоидальное напряжение высокой частоты

50 Гц с таким же, как и у несинусоидального напряжения, действующим значением U = 244 В, т.е.

U (t) = 244. 2 sin 314,16t

Глубина проникновения электромаго нитной волны в заготовку при 750 С от каждой рабочей гармоники напряжения равна

Мощность, предлагаемая каждой гармоникой напряжения в заготовку, составляет Р, = 56516 Вт, Р

303880 Вт, Р = 643134 Вт, и соответственно c s Р„ = P + P4 + P> — 003531 Вт.

При этом мощность потребления энергии по энергетическим зонам равна Р = 28635 Вт, Р = 80699 Вт, Рп, = 894196 Вт.

Производят повторный нагрев заготовки при питании индуктора как до

r< температуры точки Кюри (холодный нагрев) так и выше точки Кюри (горяЭ о чий нагрев) до 1200 С одним и тем же синусоидальным напряжением часто-.ой 50 Гц с действующим U = 244 В, т.е.

U (t) = 244 !2 sin 314,16t, Мощность передачи энергии в заготовку в режиме холодного нагрева при этом равна Р = 876965 Вт.

Сравнивают в соответствии с потребляемой мощностью. время нагрева заготовок до 750 С при питании индуктора от источника несинусоидального напряжения и источника синусоидального напряжения с тем же самым действующим значением напряжения U = U

244 В, При этом учитывают, что тепо

26 лосодержание при 750 С в обоих случаях нагрева одно и то же. Время нагрева при питании индуктора от источника несинусоидального напряжения оказалось меньше, чем при питании

З0 индуктора с тем же действующим значением синусоидального напряжения на 14,4Ж.

Пример 2, Подводят к преобразователю 1 формы напряжения синусоидальное напряжение с действующим значением U = 275 В, На выходе преобразователя получают несинусоидальное периодическое напряжение с тем

40 же самым составом рабочих гармоник по .частоте, но с увеличенными амплитудами 4-й и 7-й гармоник, т,е.

U(t) = 141 sin 44,88t +

+ 210 ° sin 179,42t +

45 + 295 sin 314,16t, действующее значение которого равно

U 275 В !

Это напряжение через контакты КП шкафа 2 подают к индуктору 3. При о достижении 750 С контакты КП размыкают, а контакты КС (фиг. 1) замыкаб ют, подают, как и в примере 1, синусоидальное напряжение высокой частоты 50 Гц с действующим значением

U = U„ = 275 В, т.е. U (t)

= 275 12 sin 314,16t.

1361187

P = 1114696 Вт, где U

Мощность передачи энергии в заготовку при нагреве до 750 С от каждой гармоники напряжения составляет

P, = 400003 Вт, Р4 = 464084 Вт, Р

643134 Вт. Мощность потребления каждой энергетической зоной равна

Р = 202668 Вт, Р = 160885 Вт, P», =

1143668 Вт.

Суммарная мощность передаваемой в заготовку энергии при несинусоидальном токе составляет Р„ = Р< +

+ P + Pz = 1507221 Вт, Производят повторный, как в примере 1, нагрев заготовки при пита- 15 нии индуктора от источника синусоидального напряжения частотой 50 Гц со значением действующего напряжения, равным действующему значению несинусоидального U 275 В. 20

Мощность передачи энергии в заготовку при этом составляет

На фиг. 1 показано схематично уст 25 ройство для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 — несинусоидальное периодическое напряжение заданного гармонического состава; на фиг. 3 — области проникновения элект- д0 ромагнитной энергии разных частот.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.1) содержит преобразователь 1 формы напряжения, в котором синусоидальное напряжение сети

35 высокой частоты преобразуется в несинусоидальное периодическое напряжение U(t) низкой частоты заданного гармонического состава, контакты КП и KC шкафа 2, индуктор 3, в котором расположена для нагрева заготовка 4.

На фиг. 2 показано для одного периода Т напряжение выхода преобразователя 1 ФоРмы напряжения U(<), сфоР- 45 мированное из отрезков полуволн синусоидального напряжения трех потенциальных уровней (Т вЂ” период повторения несинусоидального периодического напряжения, состоящего из 14 равных полупериоду синусоидального напряжения сети отрезков времени).

На фиг. 3 показаны границы и зоны действия частот в сечении заготовки, при этом приняты следующие обозначения. Ь,, А Ь, — глубина проникновения энергии электромагнитного поля соответственно от первой, четвертой, седьмой гармонии напряжения,"

R, R,,R — радиусы границ энергетических зон; I — первая энергетическая зона, которая ограничивается радиусом R в эту зону проходит электромагнитная энергия только частоты Q, от первой гармоники напряжения; II — вторая энергетическая зона, которая ограничивается радиусами

R, и К, В эту зону zzpOxGpHT электромагнитная энергия частот И, и Я первой и четвертой гармоник напряжения, III — третья энергетическая зона, которая ограничивается радиусами

Rz и R, в эту зону от индуктора (на фиг.3 не показан) проходит энергия частот са,, „, и, соответствен.но первой, четвертой и седьмой рабочих гармоник напряжения, Р, Р,„

Р1п — среднее значение мощности, передаваемой электромагнитным полем соответственно в энергетические зоны

I, II, III °

Реализацию предлагаемого способа нагрева заготовок осуществляют в устройстве (фиг.1) следующим образом.

При подаче синусоидального напряжения высокой частоты на вход преобразователя 1 формы напряжения на выходе его формируется однофазное периодическое несинусоидальное напряжение U(t) (фиг.2) с составом рабочих гармоник, максимально приближенным к заданному, состоящему из суммы гармоник и,, 4ы,, 7со, с возрастающими с ростом частоты амплитудами, т.е. 4

+ U, sin 7а,t амплитуда напряжения К-й гармоники, М вЂ” угловая частота основной гармоники, мк = к ы, — угловая частота К-й гармоники.

При замыкании контактов КП шкафа

2 несинусоидальное периодическое напряжение U(e) подается к индуктору

3, в котором расположена для нагрева заготовка 4. Под действием каждой из составляющих рабочих гармоник напряжения в индукторе протекает ток и образуется электромагнитное поле, которое в зависимости от частоты проникает в заготовку 4 на различную глубину (фиг.3) ° Электромагнитное поле, созданное напряжением частотой

43, самой низкой частоты, проникает

1361187

30

55 на всю глубину заготовки д,, поле других частот ы,,а, проникает на меньшую глубину, соответственн<- на

6 и д,. Вследствие разной глубины проникновения энергии электромагнитных волн разной частоты образуются при трех частотах три энергетические зоны нагрева: I, II u III. В зону I проходит энергия самой низкой из . рассматриваемых частот Ы,, которая нагревает металл этой зоны за счет преобразования электромагнитной энергии в тепловую. В зону II проникает энергия электромагнитного поля двух частот ы, и я+ и тоже нагревает металл. В зону III проходит энергия электромагнитного поля всех частот рабочих гармоник напряжения, т.е. ы,, 4ы,, 7д, и преобразуется в тепловую энергию этой зоны. Так как сопротивление переменному току с понижением частоты уменьшается, то для ограничения черезмерного возрастания токов низких частот и,, 4ы„

7а, амплитуды напряжения этих частот возрастают с ростом частоты. Как следует из фиг.3, в предлагаемом способе нагрев вихревыми токами ведется одновременно всех трех зон, против одной (зона III) в известном способе (нагрев до температуры точки

Кюри проводится токами синусоидальной низкой частоты, выше точки Кюри — токами синусоидальной высокой частоты). Как и в известном способе, в предлагаемом имеет место за счет теплопроводности передача тепла от внешних слоев к внутренним. Перепад температуры в процессе нагрева между внешними и внутренними слоями в предлагаемом способе меньше. Это объясняется тем, что максимальная температура нагрева внешних слоев остается той же, что и в известном способе, но температура внутренних слоев в предлагаемом способе выше, так как во внутренние слои, в том числе и центральные, поступает электромагнитная энергия от рабочих гармоник напряжения частотой а и д, которая преобразуется в тепловую энергию, температура внутренних слоев поднимается. На фиг. 3 показаны средние мощности потребления электрической энергии в каждой энергетической зоне. Наибольшее потребление электрической энергии имеет .зона III, затем зона II и соответственно наименьшее потребление имеет зона I.

Проведено сравнение времени нагрева заготовки при питании индуктора от несинусоидального напряжения и синусоидального при нагреве заготово ки до 750 С, Время нагрева при питании индуктора несинусоидальным напряжением оказалось меньше, чем при питании индуктора от источника синусоидального напряжения, на 35,1 .

Таким образом, с увеличением в составе несинусоидального периодического напряжения амплитуд напряжения низких частот сокращается время нагрева, но при этом КПД установки не уменьшается, так как основная часть энергии поступает в заготовку на высокой частоте, а наибольшее количество электрической энергии сосредотачивается в зоне III (фиг.3).

Использование предлагаемого способа нагрева металлических заготовок в промышленности позволит значительно (на 35% и более) сократить время холодного нагрева заготовок, что обеспечит увеличение производительности нагреваемых устройств на 17 и более. формула изобретения

Способ индукционного нагрева заготовок, включающий нагрев заготовок до температуры точки Кюри энергией электромагнитного поля низкой частоты и последующий нагрев вьппе температуры точки Кюри энергией электромагнитного поля, образованного синусоидальным напряжением электрического тока высокой частоты, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьппения производительности процесса за счет увеличения скорости нагрева без повьппения предельного перепада температуры поверхности и центра заготовок, электромагнитное поле для нагрева металлических заготовок до температуры точки Кюри образуют несинусоидальным периодическим напряжением низкой частоты, спектр которого содержит рабочие гармоники с возрастающими с ростом частоты амплитудами.

1361187

Составитель В.Русаненко

ТехРед M.Маргентал КоРРектоР А.ОбРУчаР

Редактор С.Пекарь

Заказ 6198/30 Тираж 550 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4