Устройство импульсного нагреваС пРЕдВАРиТЕльНыМ пОдОгРЕВОМ Советский патент 1981 года по МПК H03K3/53 

(54) УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМ

1

Изобретение относится к области нагрева металлов электромагнитным полем.. Изобретение быть использовано для термической обработки поверхности металлов.

Известно устройство для индукционного нагрева, состоящее из нагрузки и конденсаторной батареи, а параллельно этой цепочке включено управляемое коммутирующее устройство EI

Недостатком известного устройства является ограничение возможности его применения для поверхностного нагрева металлических заьотовок импульсами тока под поверхностную закалку с большой скоростью само- , охлаждения, обеспечивающей мелкозернистую структуру закаленного слоя так как из-за ограниченной мощности сети и токоограничивающего элемента уменьшается выделяемая в нагрузке мощность. В результате этого увеличивается время нагрева, что при- водит к уходу тепла из заданного для нагрева поверхностного слоя в массу металла. Увеличивается глубина нагрева, что препятствует после окончания нагрева быстрому. охлаждению заданного.поверхностного слоя из-за того, что уже нагреты нижележа1чие слои по отношению к заданному поверхностному слою. Нагрев нижележащих слоев может достигать величин, соизмеримых с тетемпературами фазовых превращений. Уменьшение скорости охлаждения после импульсного нагрева не позволяет получить поэтому мелкозернис10тую структуру.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство импульсного нагрева, содержащее высоковольтный

15 источник питания переменного тока, к которому подк7почен выпрямитель и емкостной накопитель энергии, по крайней мере одну мостовую цепь, противоположные плечи которой содержат частотозадающий кон20денсатор и управляемый коммутатор, в диагональ включено согласующее устройство, а вершины соединены с емкостным накопителем энергии , 2.

25 Недостатком этого устройства

является снизхение его производительности при получении мелкозернистой структуры. Это обусловлено тем, что энергии, накопленной в емкостном накопителе, не достаточно для

закалки более значительных пло11адей. Увеличение же запасаемой энергии приводит к увеличению габаритов емкостного накопителя, а, следовательно, и установки.

Целью настоящего изобретения является увеличение производительности .

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве импульсного нагрева с предварительным подогревом, содержащем высоковольтный источник питания переменного тока, к которому подключен выпрямитель и емкостной накопитель энергии, по крайней мере одну мостовую цепь, противоположные плечи которой содержат по частотозадающему конденсатору и управляемому коммутатору, а в диагональ включено согласующее устройство, истовая цепь подключена к высоковольтному источнику питания переменного тока через размыкатель, емкостной накопитель энергии соединен с мостовой цепью .через разрядный управляемый коммутатор и параллельно мостовой цепи включен буферный конденсатор, параллельно которому включена индуктивность.

За счет такого исполнения устройсва заданный поверхностный слой металла предварительно нагревается за короткое время (десятые доли секунды до температур, меньших, чем температуры фазовых превращений (несколько сотен градусов Цельсия). При этом ни5хележащие слои металла за сче теплопроводности также прогреваются. Однако благодаря тому, что заданный поверхностный слой нагревается незначительно, то и нижележащие слои имеют невысокую (пор5Щка 100300 с) температуру. После предварительного нагрева от мощного высоковольтного источника питания переменного тока следует импульсный нагрев (в течение не более 0,1с) заданного поверхностного слоя за счет энергии, накопленной в емкостном накопителе. При этом до температуры закалки нагревается значительно большая поверхность металла.

Для ограничения величины емкостного тока, а, следовательно, для улучиения условий работы источника питания переменного тока, параллельно буферному конденсатору включена индуктивность.

на фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на-фиг.2 - кривая серии импульсов тока, осуществляющей предварительный подогрев поверхности металла.

Устройство содержит высоковольтный источник 1 питания переменного тока, который может бы.ть выполнен, например, в виде мощной сети 220380 В с повышающим трансформатором.

к источнику 1 подключен выпрямитель 2 и емкостной накопитель энергии 3. Устройство также снабжено размыкателем 4 и по крайней мере одной мостовой цепью 5, которая через этот размыкатель 4 соединена с высоковольтным источником 1 питания переменного тока. Противоположные плеч мостовой цепи 5 содержат частотозадаюиий конденсатор б, управляемый коммутатор 7, частотозадающий конденсатор 8, управляемый коммутатор В диагонали мостовой цепи 5 включен первичная обмотка 10 согласующего устройства.

Устройство содержит также буферный конденсатор 11, подключенный параллельно мостовой цепи 5. Параллельно с буферным конденсатором 11 включена катушка индуктивности 12. Емкостной накопитель энергии 3 соединен с мостовой цепью 5 через разрядный управляемый коммутатор 13, выполненный в виде разрядника.

Емкости частотозадающих конденсаторов б и 8, которые равны между собой, меньше или соизмеримы с емкостью буферного конденсатора 11. Емкость накопителя 3 значительно больше.емкости частотозадающих конденсаторов б и 8. Управляемые коммутаторы 7 и 9 выполнены, например, в виде управляемых разрядников Согласующее устройство выполнено, например, в.виде обычного понижающего импульсного трансформатора с сердечником. В случае, если установка снабжена несколькими, наприме двумя,мостовыми цепями, согласующее устройство выполнено аналогично траФорматору в устройстве-прототипе.

Устройство импульсного Haipeва с предварительным подогревом работает следующим обрайЪм.

При включений источника питания емкостной накопитель энергии 3 начинает заряжаться через выпрямитель 2, а конденсаторы 6, 8, 11 оказываются под переменным напряжением источника 1. Причем, мгновенное напряжение на частотозадающих конденсаторах б и 8 равно половине напряженияна источнике питания 1. В момент срабатьшания, например, управляемого коммутатора 9 частотозадаю1дий конденсатор б разряжается на первичную обмотку 10 согласующего устройства, обеспечивая тем самым нагрев поверхностного слоя нагреваемого металла. Выбором емкости частотозадающего конденсатора 6 добиваются частоты нагреваемого импульса тока порядка сотен килогерц. В процессе разряда конденсатора б частотозадающий конденсатор 8 одновременно подзаряжается до напряжения, равного мгновенному напряжению на источнике 1 переменного тока. При этом подзаряд частотозадающего конденсатора 8 идет от буферного конденсатора 11, который в момент подзаряда является источником практически неограниченной мощности. После разряда конденсатора 6 и подзаряда конденсатора 8 в паузе между очередным срабатыванием коммутатора 7, которая обусловлена восстановлением прочности управляемого коммутатора 9 и выбирается минимальной, происходит подзаряд от источника питания 1 буферного кденсатора 11. Срабатывание управлямого разрядника 7 приводит к разря частотозадающего конденсатора 8 на первичную обмотку 10 согласующего устройства. В процессе разряда частотозадающего конденсатора 8 одновременно происходит заряд частотозадающего конденсатора б до напряжения, равного мгновенному напряжению на источнике питания 1. Заряд этого конденсатора идет от буферного конденсатора 11. После разряда конденсатора 8 и заряда конденсатора б в паузе между очередным срабатыванием коммутатора 9 происходит подзаряд буферного конденсатора 11 от источника питания переменного тока 1. Затем снова срабатывает управляемый коммутатор 9 и происходит разряд частотозадающего конденсатора 6 и заряд частотозадакядего конденсатора После этого происходит срабатывание коммутатора 7 и т.д. до тех пор, пока поверхность нагреваемого металла достигнет требуемой предварительной температуры нагрева. Такой нагрев металлической п верхности идет серией высокочастотных затухающих импульсов тока от разрядов частотозадающих конденсаторов б, 8. Огибающая максимальных амплитуд этих импульсов имеет форму синусоиды тока промышленной частоты (фиг.2). В результате такой работы устройства поверхность металла подогревается до такой температуры, при которой отсутствуют еще фазовые превращения в структуре поверхностного слоя. Энергия для нагрева поступает от источника питания переменного тока 1. При этом, поскольку энергия выделяется мощными высокочастотными импульсами за счет разрядов конденсаторов, нагревается тонкий поверхностный слой за короткое время (десятые доли секунды ) на более значительной площади. Прогреваются конечно, за счет теплопроводности и слои, лежсодие ниже необходимого для термообработки поверхностного слоя. Однако, благодаря небольшой температуре нагрева поверхности, нижележащие слои прогреваются незначительно. Например, если слой, необходимый для термообработки.

прогревается до 350-4000С, то нижележащие слои нагреваются до 200250°С.

После предварительного скоростного подогрева заданного для термообработки поверхностного слоя металла от источника питания I высокочастотными импульсе1ми тока размыкатель 4 размыкает электрическую цепь. Срабатывает управляемый разрядный коммутатор 13. При этом

0 конденсаторы 6 и 8 заряжаются от емкостного накопителя 3. Поочередное срабатывание управляемых комNiyTaTOpoB 7 и 9 приводит к поочередному разряду одного частотоза5дающего конденсатора и заряду другого частотозадающего конденсатора. Нагрев идет за счет выделения энергии, накопленной в емкостном накопителе 3, мснцными высокочастотными

0 импульсами тока за счет разрядов .частотозгщающих конденсаторов. Достижение требуемой температуры в поверхностном слое для последующей закалки его идет за время менее 0,1 с, т.е. за время, в которое от5сутствует теплоотвод. После импульсного Нагрева поверхностный слой быстро охлаждается за время порядка 0,01 с до температуры и менее за счет теплоотвода в нижележа0щие слои металла. Такой режим обработки способствует, как известно, образованию в поверхностном слое мелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение механических свойств

5 (металла.

В зависимости от требуемой площади закалки работа и конструкция устройства могут меняться. Например, если необходимо получить мел0козернист то структуру на сравнительно небольшой площади, то вначале производят заряд накопителя 3, а затем включение paз Бn aтeля 4, т.е. это необходимо потому, что нагрев такой поверхности от источника 1

5 идет настолько быстро, что накопитель 3 не успевает зарядиться за время нагрева. При этом работа источника питания 1 облегчена, поскольку резонансное сопротивление кон0тура, образованного буферным конденсатором 11 и катушкой индуктивности 12, ограничивает емкостный .ток от включения параллельно источнику 1 буферного конденсатора 11.

5

Чтобы произвести закалку более значительных площадей, для ускорения вьщеления энергии в процессе нагрева возможно включение нескольких, например, двух, мостовых цейей. Тог0да согласующее устройство будет выполнено аналогично исполнению трансФорматора в устройстве-прототипе. Формула изобретения

Устройство импульсного нагрева с

5 предварительным подогревом, содержащее высоковольтный источник питания переменного тока, к которому подключен выпрямитель и емко.стной накопитель энергии, по крайней мере одну мостовую цепь, противоположные плечи которой содержат п частотоэадаюцему конденсатору и управляемому KONwyTaTopy, а в диагональ включено согласующее устройство, отличающееся тем, что, с целью увеличения производительности, мостовая цепь подключена к высоковольтному источнику питания переменного тока через раэ(Мыкатель, емкостной накопитель энергии соединен с мостовой цепью через разрядный управляемый кo /Iмyтaтop и параллельно мостовой цепи включен буферный конденсатор, параллельно которому включена индуктивность.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Заявка Франции № 2296959,

кл. Н 05 В 9/00, опублик. 03.09.70.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2499772/18-2.1,

кл. Н 03 К 3/53, 16.06.77.