Индуктор для нагрева мерных заготовок
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой, в частности, может быть использована как индукционный нагреватель периодического действия, предназначенный для нагрева заготовок из титанового или хромоникелевого сплава.
В основе предлагаемой полезной модели лежит метод борьбы с неравномерностью нагрева.
Предлагаемый индуктор для нагрева мерных заготовок имеет следующие преимущества перед известными устройствами: широкий диапазон длин и диаметров используемых заготовок из титанового сплава ВТ6 или хромоникелевого сплава; для любой из заданных длин и любого заданного диаметра заготовки пирометр, который измеряет температуру на поверхности заготовки в ее средней части, будет показывать максимальную температуру по всему объему, поэтому, случай перегрева и расплава заготовки на некоторой глубине от поверхности исключается; легко обеспечивается контроль температуры нагреваемой заготовки.
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электротермическим устройствам с активно-индуктивной нагрузкой, в частности, может быть использована как индукционный нагреватель периодического действия, предназначенный для нагрева заготовок из титанового или хромоникелевого сплава.
Известен индукционный скважинный электронагреватель (см. патент 2198284 РФ, МПК Е21В 36/04, Е21В 43/24. Индукционный скважинный электронагреватель - Опуб. 10.02.2003), содержащий: корпус, индукционную катушку, контактный узел с токоподводящим кабелем. Корпусом и одновременно магнитным сердечником служит насосно-компрессорная труба, оснащенная металлическими кольцами с разрезами. Через разрезы проложены провода обмоток индукционной катушки. Катушка намотана на наружной поверхности корпуса.
Известное техническое решение обладает следующими недостатками: индукционный скважинный электронагреватель не предназначен для нагрева заготовок.
В качестве прототипа выбрана индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок (см. патент 2237385 РФ, МПК Н05В 6/06. Индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок - Опуб. 27.09.2004), содержащая три расположенные в стык и соединенные в треугольник катушки со сдвинутой на фазу 180 средней катушкой, футеровку и по батарее конденсаторов на каждую катушку. Обеспечивает более равномерное выделение удельной мощности по длине нагреваемых мерных заготовок за счет снижения провала мощности на стыке соседних катушек. В результате, уменьшаются взаимная индуктивность катушек и влияние эффекта переноса мощности из одной фазы в другую, что приводит к более равномерной загрузке фаз питающей сети. Недостатком рассмотренного технического решения является то, что не удается обеспечить равномерный нагрев по всей длине заготовки.
В основе предлагаемой полезной модели лежит метод борьбы с неравномерностью нагрева. Среди используемых способов выбран вариант с симметричным расположением заготовки внутри индуктора относительно его середины и разряженными участками на втором слое нагревателя.
Целью полезной модели является обеспечение равномерного нагрева по всей длине заготовки до достижения температуры, необходимой для дальнейшей обработки. При этом, температура заготовки в любой точке не должна быть больше температуры полиморфных превращений (ТПП), так как даже незначительное ее превышение приводит к отбраковке заготовки. Особенно остро такая проблема стоит в случае, когда в одном индукторе необходимо нагревать заготовки различной длины и диаметра.
Для достижения поставленной цели, обеспечиваются симметричные разрывы поля, что способствует снижению торцевых эффектов и повышению равномерности нагрева.
Индуктор для нагрева мерных заготовок включает индукционную катушку, подключенную к источнику питания, и футеровку. Индукционную катушку предлагается выполнить из полой медной трубки прямоугольного сечения, намотанной в два слоя, причем верхний слой индукционной катушки имеет, по меньшей мере, два разрыва поля намотки, расположенных симметрично от центра индуктора. Медная трубка должна иметь следующие размеры: наружное сечение 18×14 мм, внутреннее сечение 14×10 мм. Нижний слой индукционной катушки должен состоять из 50 витков с шагом намотки 20 мм, тогда как верхний слой должен состоять из 38 витков, по 7 витков от торцов и 24 витка в центре с шагом намотки 20 мм, и с разрывом, равным 6 виткам. Общее количество витков 88. Длина индуктора 1050 мм.
В качестве заготовок могут быть использованы заготовки из титановых или хромоникелевых сплавов.
Нагреваемые заготовки могут иметь диаметры: 165, 196, 225, 275 мм.
Длины нагреваемых заготовок должны быть от 150 до 750 мм. Максимальная температура нагрева для заготовок из титановых сплавов должна быть 1000°С, а для заготовок из хромоникелевых сплавов - 1150°С.
Абсолютное значение температуры в любой точке нагреваемой заготовки не должно превышать более, чем на 20°С температуру нагрева конкретных марок титановых сплавов.
Контроль температуры осуществляется в средней части индуктора, с помощью пирометра.
Теплоперепад по сечению и длине заготовки должен обеспечивать достижение минимального суммарного времени нагрева заготовок в нагревательном комплексе: индуктор-печь сопротивления с учетом реального цикла работ всех механизмов, включая пресс, и требований к гомогенности температуры заготовки перед прессованием.
Максимальное время нагрева заготовки в индукторе должно быть 25 мин.
Футеровка в индукционных нагревателях располагается между индуктором и заготовкой. С торцов индуктор закрыт огнеупорными крышками. Таким образом, до минимума сводится величина тепловых потерь с поверхности заготовки, тем самым увеличивается равномерность нагрева по объему всей детали.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами:
На фиг.1 изображен разрез такого индуктора, где:
1 - витки индуктора; 2 - заготовка; 3 - футеровка; 4 - пирометр; 5 - огнеупорные крышки.
На фиг.2 отображено распределение температуры при нагреве до 900°С заготовки 2 длиной 400 мм и диаметром 165 мм.
На фиг.3 отображено распределение температуры при нагреве до 900°С заготовки 2 длиной 750 мм и диаметром 275 мм. При изменении диаметра и длины загрузки изменяется сопротивление индуктора, что при фиксированной величине емкости приводит к изменению частоты.
На фиг.4 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 165 мм и длиной 400 мм на частоте 86,4 Гц.
На фиг.5 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 165 мм и длиной 400 мм на частоте 100 Гц.
На фиг.6 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 275 мм и длиной 750 мм на частоте 100,7 Гц.
На фиг.7 отображено распределение температуры в заготовке 2 диаметром 275 мм и длиной 750 мм на частоте 100 Гц.
Принцип работы:
Заготовка 2 в индукторе располагается симметрично относительно центра индуктора, и включается нагрев. Температура на поверхности заготовки 2 в ее средней части контролируется пирометром 4.
Преимущество нагревателя состоит в том, что для любой из заданных длин и любого заданного диаметра заготовки 2, можно с уверенностью утверждать, что пирометр 4, который измеряет температуру на поверхности заготовки 2 в ее средней части, будет показывать максимальную температуру по всему объему по длине. Кроме того, легко обеспечивается контроль температуры нагреваемой заготовки 2.
Ниже приводится распределение температуры по объему в случае нагрева заготовки 2 длиной 400 мм, диаметром 165 мм (Фиг.2) и длиной 750 мм и диаметром 275 мм (Фиг.3).
Делаем вывод, что при загрузке одного и того же индуктора заготовками с различными длинами и диаметрами, вследствие изменения индуктивности контура, меняется и его частота при неизменной компенсирующей емкости.
При нагреве заготовок диаметром 275 мм, частота контура практически не отличается от подаваемой на контур частоты 100 Гц. При уменьшении длины и диаметра нагреваемой заготовки 2, частота более значительно отличается от 100 Гц, и это отличие тем более заметно, чем меньше длина и диаметр загрузки. Рассмотрим, влияют ли такие изменения частоты контура на электрические характеристики и качество нагрева. При этом, можно рассматривать только нагрев заготовки 2 длиной 400 мм и диаметром 165 мм, так как в этом случае влияние факта уменьшения частоты окажется максимальным.
При уменьшении частоты /возрастает глубина проникновения тока
,
где 
- удельное электрическое сопротивление; µ - магнитная проницаемость.
Поэтому активное r1 и реактивное x1, сопротивления индуктора, активное 
и реактивное 
сопротивления заготовки 2 уменьшаются.
Ток индуктора 
,
где 
- напряжение индуктора,
при 
увеличивается в большей степени, чем уменьшается сумма 
, поэтому полная активная мощность 
, где Ia- модуль тока индуктора, возрастает при снижении частоты.
Увеличение реактивной мощности 
при снижении частоты можно объяснить аналогичным образом.
Коэффициент мощности 
,
где RЭКВ - эквивалентное активное сопротивление; XЭКВ- эквивалентное реактивное сопротивление, незначительно увеличивается при уменьшении частоты, за счет различия в зависимости RЭКВ=RЭКВ(f) и XЭКВ =XЭКВ(f).
Для электрического КПД имеем:
,
где D1 - внутренний диаметр индуктора, D2 - внешний диаметр заготовки 1 и 2 - удельные сопротивления индуктора и заготовки 2 соответственно, А - расчетный коэффициент, зависящий от m 2, где 
,
где R2 - относительный радиус загрузки, 
2 - глубина проникновения.
При снижении частоты, m2 уменьшается, обуславливая спад 
, по сравнению с того же контура, но при более высокой частоте.
Чтобы оценить, как влияет частота питания контура на качество нагрева, рассмотрим фиг.4, фиг.5 и фиг.6, фиг.7, на которых, для сравнения, отображено распределение температуры по длине и сечению заготовки 2 диаметром 165 мм и длиной 400 мм, и заготовки 2 диаметром 275 мм и длиной 750 мм, соответственно.
Из представленных графических материалов можно сделать вывод, что на характер процесса нагрева изменение частоты контура не влияет, а разница температурного перепада лежит в пределах 5°С, что не оказывает заметного влияния на качество нагрева.
Таким образом, предлагаемый индуктор для нагрева мерных заготовок имеет следующие преимущества перед известными устройствами:
- широкий диапазон длин и диаметров используемых заготовок из титанового сплава ВТ6 или хромоникелевого сплава;
- для любой из заданных длин и любого заданного диаметра заготовки 2 пирометр 4, который измеряет температуру на поверхности заготовки 2 в ее средней части, будет показывать максимальную температуру по всему объему, поэтому, случай перегрева и расплава заготовки 2 на некоторой глубине от поверхности исключается;
- легко обеспечивается контроль температуры нагреваемой заготовки 2.
1. Индуктор для нагрева мерных заготовок, включающий индукционную катушку, подключенную к источнику питания, и футеровку, отличающийся тем, что индукционная катушка выполнена из полой медной трубки прямоугольного сечения, намотанной в два слоя, причем верхний слой индукционной катушки имеет, по меньшей мере, два разрыва поля намотки, расположенных симметрично от центра индуктора.
2. Индуктор для нагрева мерных заготовок по п.1, отличающийся тем, что медная трубка имеет следующий размеры: наружное сечение 18×14 мм, внутреннее сечение 14×10 мм.
3. Индуктор для нагрева мерных заготовок по п.2, отличающийся тем, что нижний слой индукционной катушки состоит из 50 витков с шагом намотки 20 мм, тогда как верхний слой состоит из 38 витков, по 7 витков от торцов и 24 витка в центре с шагом намотки 20 мм, и с разрывом, равным 6 виткам.
4. Индуктор для нагрева мерных заготовок по п.3, отличающийся тем, что в качестве заготовок могут быть использованы заготовки из титановых или хромоникелевых сплавов.
5. Индуктор для нагрева мерных заготовок по п.4, отличающийся тем, что имеет на торцах огнеупорные крышки.
