Способ индукционного нагрева заготовок Советский патент 1987 года по МПК C21D1/42 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к прокатному, и куз- нечно-прессовому производству.

Целью изобретения является повышение производительности процесса.

Способ включает нагрев до темпе- ратуры точки Кюри электромагнитным полем , образованным несинусоидальным периодическим напряжениям 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) 53чз1п 44,88t + . + 170-,sin 179,42t + + 295,sin 314,16t,.

действующее значение которого равно

.I.IllHr 244B

При достижении 750 с контакты КП 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-л 2 .з1п 314,16t .

Глубина проникновения электромагнитной волны в заготовку при 750 С от каждой рабочей гармоники напряже ния равна

44,88 с , 179,42 с, 314,16 cV

Д, 0,075 м, & 0,037 м, Д7 0,028 м.

Мощность, предлагаемая каждой гармоникой напряжения в заготовку, составляет Р, 56516 Вт, Р4 . 303880 Вт, Р, 643134 Вт, и соответственно сумма Р Р, + Р + РТ 5 003531 Вт.

При этом мощность потребления энергии по энергетическим зонам рав

5

на PJ 28635 Вт, Рц. 80699 Вт, Pjjj 894196 Вт.

Производят повторный нагрев заготовки при питании индуктора как до температуры точки Кюри (холодный нагрев) , так и выше точки Кюри (горячий нагрев) до 1200°С одним и тем же синусоидальным напряжением часто- Q той 50 Гц с действующим U 244 В, т.е.

U(t) 244-42 -sin 314,16t.

Мощность передачи энергии в заго 5 товку 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

20 от источника несинусоидального напряжения и источника синусоидального напряжения с тем же самым действующим значением напряжения U U 244 В. При этом учитывают, что теп25 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

30 индуктора с тем же действующим значением синусоидального напряжения на 14,4%.. .

Пример 2. Подводят к преоб- 25 разователю 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 + + 295 sin 314,16t,

действующее значение которого равно

45

и. H..U;Bi.U;5Ll 275B

ij ,

Это напряжение через контакты КП шкафа 2 подают к индуктору 3. При достижении 750 С контакты КП размыкают, а контакты КС (фиг.1) замыкают, подают, как и в примере 1, синусоидальное напряжение высокой частоты 50 Гц с действующим значением и Un 275 В, т.е. U(t) 275 -vfT-sin 314,16t.

Мощность передачи энергии в заготовку при нагреве до 750°С от каждой гармоники напряжения составляет Р, 400003 Вт, Р 464084 Вт, Р 643134 Вт, Мощность потребления каждой энергетической зоной равна PJ 202668 Вт, РЛ 160885 Вт, Рщ 1143668 Вт.

Суммарная мощность передаваемой в заготовку энергии при несинусои- дальном токе составляет Р Р, + + Р + Ру 1507221 Вт.

Производят повторный, как в примере 1, нагрев заготовки при пита- НИИ индуктора от источника синусоидального напряжения частотой 50 Tii со значением действующего напряжения равным действующему значению несину- сокдального 275 В.

Мощность передачи энергии в заготовку при этом составляет

Р 1114696 Вт.

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

Устройство реализующее предлагаемый способ (фиг.1) содержит преобразователь 1 формы напряжения, в котором синусоидальное напряжение сети высокой частоты - преобразуется в несинусоидальное л периодическое напряжение U(t) низкой частоты заданного гармонического состава, контакты КП и КС 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(t), сфор мированное из отрезков полуволн синусоидального напряжения трех потенциальных уровней (т - 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 обозначе- ния: Д,, Л, , Лу - глубина проникновения энергии электромагнитного поля соответственно от первой, четвертой, седьмой гармонии напряжения;

Rj 3 радиусы границ энергетических зон; I - первая энергетическая зона, которая ограничивается радиусом R,, в эту зону проходит электромагнитная энергия только частоты СО I от первой гармоники напряжения; II - вторая энергетическая зона которая ограничивается радиусами R, и R, в эту зону проходит электромагнитная энергия частот G3, и Q первой и четвертой гармоник напряже- ния III - третья энергетическая зона, которая ограничивается радиусами Rj и R,, в эту зону от индуктора (на фиг.З не показан) проходит энергия частот со, , сОд , со соответственно первой, четвертой и седьмой рабочих гармоник напряжения; Pj- , P,j, Pjjj - среднее значение мощности, передаваемой электррмагнитным 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 вх.од 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 со, , 4сО|, 7со, с возрастающими с ростом частоты амплитудами, т.е.

U(t) U,-sinco,t + U,,,- sin4co,t + + и,„,-51п 7u,t,

где и

m к

- амплитуда напряжения К-й гармоники, л), - угловая частота основной гармоники, UK к tJ, - угловая частота К-й гармоники.

При замыкании контактов КП шкафа 2 несинусоидальное периодическое напряжение U(t) 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.З). Электромагнитное поле, созданное напряжением частотой со, самой низкой частоты, проникает

на всю глубину заготовки д, , поле других частот со , со, проникает на меньшую глубину, соответственно на й и л,. Вследствие разной глубины проникновения энергии электромагнитных волн разной частоты образуются при трех частотах три энергетические зоны нагрева: I, II и III. В зону I проходит энергия самой низкой из ,. рассматриваемых частот со, , которая нагревает металл этой зоны за счет преобразования электромагнитной энергии в тепловую. В зону II проникает энергия электромагнитного поля двух частот оз, и о и тоже нагревает металл. В зону III проходит энергия электромагнитного поля всех частот рабочих гармоник напряжения, т.е. со, , 4со,, 7ц), и преобразуется в тепловую энергию этой зоны. Так как сопротивление переменному току с понижением частоты уменьшается, то для ограничения чрезмерного возрастания токов низких частот СО, , Асо,, 7Q, амплитуды напряжения этих частот возрастают с ростом частоты. Как следует,из фиг.З, 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 вьш1е, так как во внутренние слои, в том числе и центральные, поступает электромагнитная энергия от рабочих гармоник напряжения частотой сэ и Ci3j , 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 заготов0 ки до 750 С. Время нагрева при питании индуктора несинусоидальным напряжением оказалось меньше, чем при питании индуктора от источника синусоидального напряжения, на 35,1%.

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

5

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 5

Способ индукционного нагрева заготовок, включающий нагрев заготовок до температуры точки Кюри энергией электромагнитного поля низкой частоты и последуюш 1й нагрев вьше температуры точки Кюри энергией электромагнитного поля, образованного синусоидальным напряжением электрического тока высокой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения 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 не- синусоидальным периодическим напряжением низкой частоты, спектр которого содержит рабочие гармоники с возрастающими с ростом частоты амплитудами.

0

0

5

0

31

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

9Vi.Z

Редактор С.Пекарь

Составитель В.Русаненко

Техред М.Маргентал Корректор А.Обручар

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