WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 12 |

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com m Em Hm На глубине х= = = = = 0,368.

me Eme Hme e Это соотношение указывает на условность названия «глубина проникновения тока», однако использование этой величины позволяет упростить многие расчеты, в частности расчет сопротивлений.

Полное внутреннее электрическое сопротивление полосы шириной а и длиной l, выделенной на поверхности полуограниченного пространства (рис.1.1):

& z = r + j x, m l r = x =.

m a & Магнитное сопротивление zm параллелепипеда oabco (рис.1.1):

& & a Hme Im Im j & zm = = = j = = Rm + j xm, & & & & me me Um z где z – внутреннее электрическое сопротивление.

Модуль магнитного сопротивления 2 zm = = R + x.

m m z Вещественная часть Rm магнитного сопротивления определяет собой реактивную мощность и составляющую намагничивающей силы, & совпадающую по фазе с магнитным потоком m, пронизывающим контур ocefo (рис.1.1).

Мнимая часть хm определяет активную мощность (потери в среде) и составляющую намагничивающей силы, совпадающую по фазе с напряжением Um, уравновешивающим ЭДС, наведённую на поверхности среды.

& & & Um = j m = Eme l.

В рассматриваемом случае полубесконечной среды с =const и µ=const, Rm=xm. Если l=a=1м, то получим так называемое сопротивление единичного квадрата:

& Eme & z0 = r0 + j x =, & Hme j & zm0 = R + j x =.

m0 m& zl a & & & Следовательно z = z0 ; zM = zm0.

a l Мощность в элементарном слое dx на глубине х:

1 l 1 2 x dP = (a m dx)2 = a l me exp(- ) dx.

2 a dx Полная активная мощность, проходящая через поверхность S проводящей среды PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 2 me 2 x me P = a l exp(- )dx = al = a l P0, 2 где Р0 – удельная мощность на поверхности [Вт/м2].

В пределах слоя толщиной х имеем:

me 2 x 2 x 2 x P0-x = a l exp(- )dx = a l P0 - exp(- ) = a l (P0 - Px ), где Рх – удельная мощность на глубине х.

В пределах слоя толщиной, подставив х=, получим:

P0- = a l P0 (1 - e-2)= 0,865 a l P0.

Это выражение даёт основание при приближённых расчётах допускать, что в слое выделяется вся тепловая энергия.

В процессе нагрева диамагнитных и парамагнитных металлов и сплавов изменяется лишь их удельная электропроводность. Магнитная проницаемость остаётся практически неизменной. Ввиду этого глубина проникновения тока при нагреве диамагнитных и парамагнитных металлов и сплавов увеличивается незначительно лишь вследствие уменьшения электропроводности материала.

В процессе нагрева ферромагнитных металлов и сплавов наряду с уменьшением удельной электропроводности уменьшается и их магнитная проницаемость. При достижении нагреваемым материалом определённой температуры значение магнитной проницаемости падает до величины магнитной проницаемости вакуума, что ведёт к резкому увеличению глубины проникновения тока. Эта температура называется температурой магнитных превращений или критической точкой (точка Кюри). Поэтому различают глубину проникновения тока в сталь, нагретую ниже температуры магнитных превращений, и глубину проникновения в сталь, нагретую выше температуры магнитных превращений («горячая» глубина проникновения тока).

В расчётах индукционных нагревательных установок необходимо использовать значение глубины проникновения тока в медь индуктора, температура которого при нагреве заготовок достигает 40 – 60 °С, и глубины проникновения тока в сталь, нагретую до температуры 1000 … 1250 °С. Эти значения соответственно равны:

0,2 =, м для меди, (1.2) f 0,2 =, м для стали. (1.3) f Установки для индукционного нагрева кроме индуктора включают в себя также и другие элементы. Однако индуктор является основным, так как посредством индуктора происходит преобразование энергии электромагнитного поля в тепловую.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Рассмотрим формулы, описывающие электромагнитные процессы в индукционных системах с конечным поперечным сечением. Чтобы не усложнять вопрос учетом краевых эффектов, рассмотрим отрезок а системы бесконечной длины (рис.1.3)[3].

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com b Da D1 – индуктирующий провод; 2 – цилиндрическая заготовка.

Рис.1.3. Индуктор для нагрева цилиндрических заготовок (отрезок а системы бесконечной длины) Тогда магнитное поле в зазоре между индуктором и цилиндром будет равномерным, а вне индуктора будет равным нулю. Примем, что диаметр цилиндра D2>6·2, а толщина стенки трубки, из которой выполнен индуктор d1>3·1.

Напряжение на зажимах индуктора:

& j W Фm j W & & & & & & & UИ =(Ф1m + ФВ + Ф2m)= U1m + UВ + U2m, (1.4) = 2 где Фm – амплитудное значение полного магнитного потока индуктора;

Ф1m – составляющая магнитного потока, проходящая через поперечное сечение обмотки индуктора;

ФВ – составляющая магнитного потока, проходящая через воздушный зазор;

Ф2m - составляющая магнитного потока, проходящая сечение цилиндра (нагреваемое тело);

U1m – составляющая напряжения, уравновешивающая ЭДС, наведённую в обмотке магнитным потоком Ф1m;

UВ – составляющая напряжения, уравновешивающая ЭДС, наведённую в обмотке магнитным потоком ФВ;

U2m – составляющая напряжения, уравновешивающая ЭДС, наведённую в обмотке магнитным потоком Ф2m;



W – число витков индуктора;

– угловая частота.

Составляющая напряжения U1m равна & & 2 ( U1m = Iи W z11), (1.5) & где Iи – ток в индукторе;

D1 z( z11) = - внутреннее электрическое сопротивление a одновиткового индуктора, определяемое магнитным потоком Ф1m;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 2 1 exp(j ) z01 = - электрическое сопротивление единичного квадрата индуктора;

1 – глубина проникновения тока в медь индуктора;

– удельное сопротивление меди;

D1 – внутренний диаметр индуктора;

a – длина отрезка индуктора бесконечной длины для нагрева цилиндра.

Электрическое сопротивление индуктора, имеющего W витков, намотанных без зазора:

D1 zz1 = W = r1 + jx1m, (1.6) a где r1 – активное сопротивление провода индуктора;

х1m – реактивное сопротивление индуктора.

D1 1 2 D1 r1 x1m W = W, (1.7) b 1 a a где b = - ширина витка при плотной намотке.

W Таким образом, имеем & & U1m = Iи (r1 + jx1m ) (1.8) Составляющая напряжения UВ равна &B & U = Iи jx, (1.9) B Sh где x = µ0 W = µ0 W2 (D1 - D2) - реактивное B a 4a сопротивление, определяемое магнитными потоками ФВ;

Sh = (D1 - D2) – площадь поперечного сечения воздушного зазора.

& Составляющая напряжения U2m равна 2 & & & U2m = Iи W z2 = Iи W (r2 + jx ), (1.10) 2m где r2, x2m – активное и реактивное сопротивления цилиндра.

D2 r2 x, (1.11) 2m a где 2 – глубина проникновения тока в сталь цилиндра;

Формулу (1.10) представим в виде &2m & U = Iи (r'2 + jx'2m ), (1.12) 2 где r'2 = W r2 и x'2m = W x - активное и реактивное сопротивление, 2m приведенное к току индуктора & Таким образом, для UИ имеем & & & & Uи = Iи [r1 + r'2 + j(x + x1m + x'2m )]= Iи [r1 + r'2 + j (xS + x'2m )]= Iи Zи, В (1.13) PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com где xS = x + x1m - реактивное сопротивление рассеивания индуктора.

В Можно также записать:

& &r1 & &2m UИ = U + US + U ;

& & Ur1 = IИ r1;

& & US = IИ j xS;. (1.14) & & U2m = IИ (r'2 + jx'2m ).

Точность вычисления сопротивлений r2, x2m повышается, если вместо диаметра D2 в расчёты подставить средний расчётный диаметр D'2 = D2 - 2. (1.15) Соотношения (1.9), (1.12), (1.13) и (1.14) являются общими и применимы как для расчета индукторов для поверхностного нагрева цилиндрических деталей (для поверхностной закалки деталей), так и для расчета индукторов для сквозного нагрева.

1.3. СПОСОБЫ, РЕЖИМЫ И СТАДИИ СКВОЗНОГО НАГРЕВА ПОД ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ.

В промышленности широко применяется сквозной индукционный нагрев под пластическую деформацию: объёмную штамповку, ковку, прокатку, прессование, волочение. Нагреву подвергаются стали разных типов: от углеродистых до легированных, а также сплавы титана, алюминия меди и других металлов. Целью нагрева является обычно получение заданной температуры с определённой допустимой неравномерностью по объёму изделия. Время нагрева и удельная мощность определяются из условия достижения требуемого распределения температуры[3].

Способы нагрева Индукционные нагревательные установки для нагрева заготовок под горячую ковку в кузнечных цехах имеют следующие преимущества:

1. Большая скорость нагрева, а значит и производительность.

2. Возможность обеспечения поточного характера производства.

3. Возможность автоматизации и механизации процесса и регулирования электрического режима установки.

4. Малый угар металла и меньший брак из-за заштамповки окалины.

5. Малая производственная площадь, занимаемая непосредственно нагревателем.

6. Малое загрязнение воздушной среды, малое выделение теплоты, облегчение труда рабочих, чистота рабочего места.

7. Высокое качество термообработки и повышение стойкости штампов из-за меньшего количества окалины.

К недостаткам индукционных установок следует отнести необходимость в источниках тока средней частоты для заготовок с диаметром меньше 100 мм, необходимость в помещениях для этих PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com преобразователей и конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности нагревателей, а также необходимость высокой квалификации персонала для монтажа и обслуживания установок.

Несмотря на это, при выборе метода нагрева технико-экономический расчет, проведенный с учетом многих факторов, показывает рентабельность индукционного нагрева, даже если стоимость электроэнергии выше стоимости других источников теплоты. Поэтому от первых опытов по применению индукционного кузнечного нагрева в конце 40-х годов и создания первых кузниц с мощностью в 3000 кВт эта технология развилась до современных кузниц и прокатных цехов мощностью 10—15 МВт.

Установки индукционного нагрева имеют сравнительно высокий КПД, поскольку теплота выделяется в самом нагреваемом изделии без использования какого-либо теплоносителя, что дает высокие скорости нагрева и производительность. Непрерывный режим работы нагревателей позволяет размещать их в непосредственной близости от ковочного оборудования, молотов, прессов.

Для индукционных установок сквозного нагрева используют ток частотой от 50 до 10 000 Гц от промышленных сетей и преобразователей частоты.

Источник питания выбирают в зависимости от размеров заготовок, металла и требуемой производительности установки.





Путем подбора частоты для определенного диаметра детали можно добиться прогрева только поверхностного слоя требуемой глубины либо более глубокого - глубинного прогрева.

Поверхностным называют нагрев, когда теплота передается от поверхности в глубь металла главным образом теплопроводностью при сильном перегреве поверхности. Таким является нагрев в пламенных печах, печах сопротивления, а также индукционный нагрев с малой глубиной проникновения тока.

Глубинным называют нагрев, происходящий путем выделения теплоты в слое достаточной толщины по сечению детали при отсутствии большого перепада температуры между поверхностью и слоем определенной толщины.

Для нагревательных индукционных установок выбор частоты должен производиться таким образом, чтобы обеспечить глубинный тип нагрева, так как при этом будет меньше перегрев поверхности заготовок и выше КПД.

Нагрев считают глубинным, если эквивалентная глубина проникновения э,гор составляет не менее 0,25-0,45 радиуса нагреваемой заготовки r0, то есть r0 относительный радиус равен > 3...э, гор Для эффективного нагрева стальных заготовок диаметром D, мм, рекомендуются следующие частоты тока:

D мм 20-40 30-60 40-70 50-120 70-160 Более f Гц 8000 4000 2500 1000 500 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Если в индукторе находится одна заготовка, длина её для обеспечения равномерного нагрева концов и середины должна быть несколько меньше длины индуктора.

После подключения такого индуктора к источнику питания высокой частоты начинается процесс нагрева, режим которого непрерывно меняется вместе с изменением физических свойств заготовки. После достижения заготовкой требуемой температуры нагрев выключается. Заготовка выдаётся из индуктора для последующей обработки. Такой способ нагрева называется периодическим. Применяется также другой способ нагрева, когда в индукторе одновременно находятся несколько заготовок. В индуктор через определенные интервалы времени подается очередная заготовка, при этом из него выталкивается заготовка, нагретая до заданной температуры. Если одновременно в индукторе находится достаточно большое количество заготовок, режим работы такого индуктора при постоянстве напряжения в нём практически можно считать постоянным. Выключение нагрева в момент подачи в индуктор новой заготовки не производится. Этот способ называется методическим.

КПД и режимы нагрева Индуктированный ток протекает в поверхностных слоях заготовки.

Повышение температуры в сердцевине происходит за счёт теплопроводности. Если к заготовке подведена достаточно большая мощность, то температура на поверхности в пределах «горячей» глубины проникновения токов очень быстро может быть доведена до заданной.

Обычно стальные заготовки перед ковкой и прокаткой необходимо нагревать до 1200 °С. Во избежание окисления поверхности и ухудшения структуры металла в процессе нагрева не допускается значительного превышения заданной температуры, поэтому после достижения поверхностным слоем заданной температуры мощность, подводимая к заготовке, должна постепенно уменьшаться. Она определяется теперь только скоростью передачи тепла от поверхности к сердцевине и интенсивностью излучения с поверхности заготовки в окружающее пространство. При постоянстве температуры мощность излучения остаётся постоянной. По мере роста температуры сердцевины скорость передачи тепла от поверхности к сердцевине уменьшается. В связи с последним явлением для полного выравнивания температуры сердцевины и поверхности требуется длительное время. Практически нагрев прекращают, когда перепад температуры между поверхностью и сердцевиной составляет 100 … 150°С. Время, необходимое для нагрева заготовки с заданным перепадом температуры называется временем нагрева.

Отношение энергии, затраченной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, подведённой к индуктору называется полным КПД индуктора:

Pt t Pt = =, и PИ t P'И PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com где Рt - полезная мощность;

РИ - мощность, подведённая к индуктору;

t – время.

Отношение энергии, израсходованной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, переданной в неё из индуктора, называется термическим КПД индуктора:

Pt t Pt t = =, P2 t Pгде Р2=Рt+РТ – полная мощность, переданная из индуктора в заготовку;

РТ – тепловые потери через изолирующий цилиндр.

Отношение энергии, передаваемой в заготовку, ко всей энергии, подводимой к индуктору, называется электрическим КПД индуктора:

P2 t PЭЛ = =.

PИ t PИ Полный КПД индуктора равен произведению электрического и термического КПД:

Pt P2 Pt = = =.

t ЭЛ P2 PИ PИ и Электрический КПД растёт с увеличение частоты и достигает предельного значения, когда отношение диаметра заготовки к «горячей» глубине проникновения тока равно 10. Термический КПД тем выше, чем меньше потери тепла вследствие рассеивания энергии с поверхности заготовки. Эти потери пропорциональны средней во времени температуре на поверхности, её площади, а также времени нагрева. Режим нагрева, при котором температура на поверхности в пределах «горячей» глубины проникновения тока быстро поднимается до заданной, а затем сохраняется постоянной, называется нагревом при постоянной температуре.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.