Способ штучного нагрева заготовок из ферромагнитного материала токами высокой частоты

 

Использование: в электротермии и может быть использовано в порошковой металлургии, в частности для штучного нагрева неиспеченных порошковых заготовок из ферромагнитного материала при совмещении операции кратковременного нагрева и спекания перед горячей штамповкой. Сущность изобретения: в способе нагрева токами высокой частоты за счет совмещения автоматической стабилизации температуры поверхности заготовки с автоматическим поддержанием косинуса сдвига фаз между током и напряжением индуктора достигается снижение энергозатрат.

Предлагаемое изобретение относится к электротермии и может быть использовано в порошковой металлургии, в частности для штучного нагрева неспеченных порошковых заготовок из ферромагнитного материала при совмещении операции кратковременного нагрева и спекания перед горячей штамповкой.

Известен способ управления нагревом заготовок токами высокой частоты (ТВЧ), при котором автоматический двухпозиционный регулятор температуры поочередно включает и выключает источник питания (индукционный генератор), нагревая поверхность заготовки до заданной температуры и выдерживая ее в зоне нагрева определенное время с целью выравнивания температуры заготовки по сечению. При достижении заданного перепада температуры заготовку выгружают из зоны нагрева [1].

Способ позволяет получить надежную и простую схему управления температурным режимом. Однако он не обеспечивает высокой точности стабилизации температуры нагрева, что обусловлено позиционным характером регулирования температуры.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, при котором производят нагрев изделия на полной мощности генератора до достижения поверхностью максимально возможной температуры и, варьируя выходным напряжением, поддерживают температуру поверхности на заданном значении до выравнивания ее по сечению изделия [2].

Недостатком данного способа является то, что не достигается максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) установки, так как в процессе нагрева существенно изменяются электрические параметры системы индуктор-деталь.

Известен также способ термообработки металлических изделий в индукторе, при котором 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 cosϕ близким к единице, а с целью увеличения производительности процесса, нагрев производят 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, при этом f_min выбирают из соотношения f_min ≅ 1/3f_max, где f_max определяется по известной методике [3].

Недостатком известного способа является то, что нагрев на первом этапе ведется с перегревом поверхности заготовки с целью дальнейшего выравнивания температуры по ее сечению, что снижает качество нагрева и для многих материалов недопустимо, а отсутствие стабилизации температуры поверхности и выравнивание ее по сечению заготовки путем отключения индуктора увеличивают время нагрева, кроме того, предложенная формула по выбору f_min необоснована и не может быть использована в общем случае.

Заявленное техническое решение направлено на повышение качества нагрева и на увеличение штучного нагрева заготовок, что достигается за счет повышения температуры поверхности заготовки на начальном отрезке времени при максимальной частоте и мощности индукционного генератора до достижения поверхностью заготовки заданной температуры, а последующая автоматическая стабилизация ее в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению заготовки, осуществляется при оптимальных значениях технологических параметров работы системы индуктор-деталь, причем стабилизацию температуры поверхности заготовки совмещают со стабилизацией cosϕ с помощью двух контуров регулирования, первый из которых осуществляет поддержание заданной температуры поверхности, а второй - cosϕ , причем с целью исключения взаимного влияния их друг на друга применяется принцип многосвязного регулирования.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Весь процесс нагрева условно разделяем на два этапа: повышение температуры поверхности заготовки до заданного значения и ее стабилизация на этом уровне до достижения допустимого перепада температуры по сечению заготовки.

На первом этапе нагрева требуется обеспечить максимально быстрый нагрев поверхности до заданного значения температуры. Это достигается работой индукционного генератора, управляемым автоматическим оптимальным по быстродействию регулятором температуры, который воздействует на выходное напряжение этого генератора. Кроме того, с этой же целью частота индукционного генератора устанавливается на максимально возможном уровне, определяемом по известной методике [4] через конструктивно-технологические параметры системы индуктор-деталь.

Окончание этого этапа нагрева определяется автоматически, по первому достижению температурой поверхности заданного значения.

На втором этапе нагрева совместно и автоматически осуществляются две операции: стабилизация температуры поверхности на заданном значении и поддержание значения косинуса угла сдвига фаз между током и напряжением ( cosϕ ) индуктора на значении, близком к единице путем изменения частоты индукционного генератора. Уменьшение нежелательного перекрестного влияния напряжения индукционного генератора на cosϕ и его частоты на температуру достигается введением дополнительных связей между соответствующими автоматическими регуляторами по принципу многосвязного регулирования.

Формула изобретения

Способ штучного нагрева заготовок из ферромагнитного материала токами высокой частоты, при котором повышение температуры поверхности заготовки на начальном отрезке времени производят при максимальной частоте и мощности индукционного генератора до достижения поверхностью заготовки заданной температуры, а последующую стабилизацию ее в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению заготовки, осуществляют при оптимальных значениях технологических параметров работы системы индуктор-деталь, отличающийся тем, что стабилизацию температуры поверхности заготовки совмещают со стабилизацией cosϕ с помощью двух контуров регулирования, первый из которых осуществляет поддержание заданной температуры поверхности, а второй cosϕ.