СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2008 года по МПК H05B6/02 

Изобретение относится к области индукционного нагрева длинномерных изделий, например труб, слябов, прутков с различными целями, в частности, перед прокаткой, редуцированием, правкой и другими видами пластической обработки.

Сложностью нагрева длинномерных изделий, когда длина нагреваемого изделия намного больше диаметра, является создание равномерных тепловых условий в достаточно большой пространственно-временной области для получения равномерного распределения температурного поля по длине и сечению нагретого изделия. Это распределение зависит от множества параметров как собственно систем нагрева и перемещения изделия, так и внешней среды.

Известно, что равномерный индукционный нагрев изделия обеспечивается при нагреве в одном сплошном индукторе, длина которого больше длины нагреваемого изделия [Слухотский А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Ленинград, Энергия, 1974. С.178].

Недостатком этого способа является то, что для размещения, поддержки и перемещения изделия внутри индуктора требуются механические направляющие, установленные непосредственно внутри катушки индуктора. Наличие этих направляющих, их контакт с нагреваемым изделием искажает тепловое поле внутри индуктора, особенно при больших временах нагрева. Кроме того, очевидно, что в таких системах невозможно обеспечить нормальное перемещение изделий большой длины и большого разброса длин.

Известен также способ [патент US 5922234,H05B 6/10; опубл.13.07.1999; прототип] нагрева длинномерных изделий в многосекционной индукционной печи при непрерывном возвратно-поступательном движении (качании) его в печи. Этот способ предложен как альтернатива нагрева в одном индукторе. В процессе нагрева контролируют положение изделия в печи и его температуру и, в зависимости от достигнутой температуры, осуществляют управление режимом нагрева при помощи логического устройства, которое регулирует мощность, подаваемую в индукторы. В частности, мощность, подаваемая логическим устройством на начальный и конечный индукторы печи, дозируется им в зависимости от близости изделия к этим индукторам.

Печь состоит из нескольких индукторов, соосно и последовательно расположенных вдоль оси с межиндукторными зазорами, в которых расположены ролики для поддержки и перемещения изделия внутри индукторав. Распределение теплового поля в такой печи имеет периодический характер; возвратно-поступательное движение изделия как-то нивелирует эту неравномерность и позволяет равномерно нагревать изделие. Поддержка и перемещение изделий при помощи роликов позволяет также осуществлять транспортировку изделий широкого диапазона длин.

Недостатком данного решения является то, что реализация способа требует очень сложной системы автоматического регулирования вследствие того, что процесс нагрева в такой печи зависит от множества параметров как самой системы нагрева, так и системы перемещения изделия. Многие параметры являются переменными и взаимосвязанными, причем формулы зависимостей между ними до сих пор не известны. Поэтому вывод алгоритма управления, обеспечивающего высокую точность нагрева, чрезвычайно сложен, не поддается простому инженерному решению.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - нагрев длинномерных изделий в индукционной печи до заданной температуры равномерно по длине и сечению. Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, - возможность равномерного прецизионного (точного) нагрева изделия при существенном упрощении системы управления процессом нагрева и системой перемещения изделия в нагревателе.

Технический эффект достигается за счет того, что в известном способе индукционного нагрева длинномерных изделий, включающем нагрев изделия при возвратно-поступательном движении его в печи, состоящей из нескольких индукторов, соосно и последовательно расположенных вдоль оси с межиндукторными зазорами, в которых расположены элементы, обеспечивающие поддержку и перемещение изделия, в отличие от известного способа изделие размещают в печи, состоящей из одинаковых индукторов длиной L_инд, расположенных с одинаковыми межиндукторными зазорами L_заз, после чего включают нагрев и возвратно-поступательное движение изделия и осуществляют нагрев при одинаковом и постоянном по величине токе, протекающем через все индукторы в течение одного цикла движения, а также при положении изделия внутри печи в течение всего времени нагрева и непрерывном возвратно-поступательном движении его со скоростью ϑ, временем задержки в крайнем положении t_з и одинаковой в обоих направлениях амплитудой А, соответствующих условию ,

а после достижения заданной температуры и осуществления целого числа циклов движения изделия останавливают движение и отключают нагрев.

Предлагаемый способ (совокупность признаков) является новым, так как в настоящее время не известны аналогичные способы, характеризуемые приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого способа являются новые условия проведения операций.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что выявлена не известная до сих пор совокупность условий проведения процесса, связывающая между собой конструктивные параметры индукционной печи (L_инд, L_заз), режимы работы индукторов (одинаковый по величине ток в течение одного цикла качания), параметры движения изделия в печи (А, ϑ) и параметры устройства, обеспечивающего движение изделия в печи (t_з). Соблюдение этих условий в течение процесса нагрева обеспечивает для каждого сечения изделия равные тепловые условия - в каждом сечении изделия обеспечивается одинаковое выделение мощности. В результате достигается прецизионный равномерный нагрев изделия по длине и сечению. Сегодня не известны модели процессов индукционного нагрева длинномерного изделия при возвратно-поступательном движении (качании), охватывающие зависимости перечисленных параметров и дающие такие же результаты по точности и равномерности нагрева. Задача не является стандартной. Очевидно также, что знание выявленных зависимостей значительно упрощает процесс управления нагревом.

Таким образом, указанный технический эффект достигается новой, не известной из уровня техники совокупностью признаков.

Сущность изобретения раскрывается при рассмотрении процесса реализации способа, например, при нагреве в печи, в которой для перемещения изделия используются ролики. В такой печи количество индукторов и их длина L_инд, кроме прочего, обуславливаются максимальным расстоянием между роликами L_заз, необходимым для нормального перемещения заготовок и составляющим минимум 0.45 от длины изделия. Величина межиндукторного зазора определяется диаметром роликов и - при необходимости - размерами датчиков (дополнительного оборудования), размещаемых в этих зазорах. При неподвижном положении изделия в процессе нагрева точки его, находящиеся в области индукторов, получают энергию, а точки, находящиеся в межиндукторных зазорах, - теряют (не получают энергию - охлаждаются), что негативно влияет на равномерность нагрева изделия. Непрерывное возвратно-поступательное перемещение во время нагрева сглаживает это влияние. Однако при смене направления движения происходит остановка изделия в крайних левом и правом положениях на некоторое время задержки t_з, поскольку реально нельзя мгновенно изменить направление движения механизма перемещения, возможности которого и определяют величину t_з. Это обстоятельство приводит к тому, что различные точки по длине изделия находятся в разных тепловых условиях в момент остановки на реверс направления движения и, как следствие, ухудшается точность и равномерность распределения температуры. При выполнении условий проведения нагрева по предлагаемому изобретению влияние этого неизбежного обстоятельства устраняется и создаются равные условия как нагрева, так и остывания для каждой точки изделия в процессе нагрева. В результате обеспечивается возможность прецизионного нагрева длинномерного изделия с равномерностью по длине и объему, соответствующей нагреву в одном индукторе, - достигается заявленный технический эффект.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Изделие размещают в печи так, чтобы оно полностью располагалось в печи. После этого включают нагрев и возвратно-поступательное движение и проводят нагрев при непрерывном движении заготовки со скоростью ϑ, временем задержки в крайнем положении t_з и одинаковой в обоих направлениях амплитудой А, соответствующих условию (1). Одинаковый по величине ток, протекающий через все индукторы, самым простым образом обеспечивается последовательной схемой соединения всех индукторов. Изделие все время нагрева находится в печи; после достижения заданной температуры и совершения целого числа циклов движений изделие останавливают и нагрев отключают. Необходимые частота тока, мощность, время нагрева определяют по известными правилам из теории сквозного индукционного нагрева в зависимости от материала и размеров изделия.

Примером конкретной реализации предлагаемого способа может служить нагрев перед правкой прутков из сплава титана длиной L_изд=2500-5800 мм, диаметром 50-120 мм до конечной температуры 750°С.

Для этого была создана печь, состоящая из 8 одинаковых индукторов, длиной L_инд=530 мм каждый, расположенных с межиндукторным зазором L_заз=350 мм; общая длина печи - 6690 мм. Общая длина печи превышает сумму длины обрабатываемого прутка и амплитуды качания - необходимое условие того, что все время нагрева пруток не выходит за пределы печи. Между индукторами расположены 7 нижних роликов, связанных с электроприводом движения, и 4 верхних прижимных ролика. Нижние ролики имеют общий вал, приводимый в движение асинхронным электродвигателем, питающимся от преобразователя частоты, что позволяет регулировать скорость вращения роликов и, следовательно, скорость движения прутка ϑ в данном конкретном случае в пределах 4-20 см/с; минимальное время остановки на реверс направления движения t_{з min} было установлено равным 0,5 с.

Для контроля амплитуды движения прутка использованы два оптических датчика перемещения. Каждый датчик имеет открытый оптический канал, перекрытие которого в момент прохода торца прутка позволяет фиксировать этот момент.

Для получения одинакового по величине тока, протекающего через все индукторы, они электрически соединены между собой последовательно. Это наиболее простое решение, которое позволяет сделать электрические параметры системы независимыми от изменения величины заполнения индукторов заготовкой во время возвратно-поступательного движения (покачивания), упрощает систему управления нагревом и исключает необходимость применения электрических схем стабилизации тока.

Для питания индукционной системы использован тиристорный преобразователь серии ТПЧ мощностью 400 кВт, частотой 1000 Гц, выходным напряжением 800 В. Частота, мощность источника питания, ток индукторов и время нагрева выбирались по известным правилам для решения задачи сквозного нагрева цилиндрических заготовок заданной геометрии до заданной температуры.

Для исследования динамики изменения и конечного распределения температуры по сечению и длине прутка в процессе нагрева были изготовлены специальные образцы длиной 4010 мм, диаметром 100 мм, в которых были помещены термопары: четыре по радиусу сечения от поверхности к центру и семь - по длине. Температура записывалась с интервалом 1 мин в течение всего времени нагрева 15 мин. Исходя из условий задачи: L_инд=530 мм, L_заз=340 мм, t_{з min}=0,5 с, ϑ=4 см/с, амплитуда качания прутка А=830 мм.

Процесс проводился следующим образом. Пруток загружался в печь так, чтобы один его край располагался внутри печи на расстоянии 3 см от внешнего торца первого индуктора. При этом поскольку длина прутка плюс амплитуда качания меньше длины печи, то пруток в течение всего времени нагрева не выходил за ее пределы. Включалось питание индуктора и движение прутка. После выдержки прутка в течение 15 мин и возвращении его в исходное положение отключалось питание индукторов и пруток извлекался из печи. Окончание нагрева в исходном расположении прутка обеспечивает соблюдение условия совершения прутком целого числа циклов движения, то есть целого числа единичных возвратно-поступательных движений.

Контроль распределения температуры по сечению и длине прутка показал, что достигается высокая точность нагрева - отклонение температуры нагретого прутка от заданной не более чем на 20°С. Эта точность является предельно достижимой для изделий данного диаметра, когда неравномерность по длине прутка не превышает неравномерность по сечению прутка.

Согласно изобретению в способе индукционного нагрева длинномерных изделий, включающем нагрев изделия при возвратно-поступательном движении его в печи, состоящей из нескольких индукторов, соосно и последовательно расположенных вдоль оси с межиндукторными зазорами, в которых расположены элементы, обеспечивающие поддержку и перемещение изделия, изделие размещают в печи, состоящей из одинаковых индукторов длиной L_инд, расположенных с одинаковыми межиндукторными зазорами L_заз, после чего включают нагрев и возвратно-поступательное движение изделия и осуществляют нагрев при одинаковом и постоянном по величине токе, протекающем через все индукторы в течение одного цикла движения, а также при положении изделия внутри печи в течение всего времени нагрева и непрерывном возвратно-поступательном движении со скоростью ϑ, временем задержки в крайних положениях t₃ и одинаковыми в обоих направлениях амплитудой А, соответствующих условию А=L_инд+L_заз-t_з×ϑ, a после достижения заданной температуры и осуществления целого числа циклов движения изделия, останавливают движение и отключают нагрев. Достигаемый технический эффект - возможность равномерного прецизионного (точного) нагрева изделия.

Способ индукционного нагрева длинномерных изделий, включающий нагрев изделия при возвратно-поступательном движении его в печи, состоящей из нескольких индукторов, соосно и последовательно расположенных вдоль оси с межиндукторными зазорами, в которых расположены элементы, обеспечивающие поддержку и перемещение изделия, отличающийся тем, что изделие размещают в печи, состоящей из одинаковых индукторов длиной L_инд, расположенных с одинаковыми межиндукторными зазорами L_заз, после чего включают нагрев и возвратно-поступательное движение изделия и осуществляют нагрев при одинаковом и постоянном по величине токе, протекающем через все индукторы в течение одного цикла движения, а также при положении изделия внутри печи в течение всего времени нагрева и непрерывном возвратно-поступательном движении со скоростью ϑ, временем задержки в крайних положениях t_з и одинаковой в обоих направлениях амплитудой А, соответствующей условию

А=L_инд+L_заз-t_з·ϑ,

а после достижения заданной температуры и осуществления целого числа циклов движения изделия, оставливают движение и отключают нагрев.