Автоматизированная система нагрева металла в печах

Однако, если столб заготовок имеет значительную массу, то в случае заедания  какой – либо из них (например, вследствие больших заусенцев или повреждения теплоизоляции) возможно резкое выбрасывание части заготовок из индуктора. Поэтому иногда для тяжелых заготовок используют гидравлические толкатели. Механические толкатели с реечным или кривошипном приводами работают спокойно как при тяжелых, так и при легких заготовках. Особенно надежно работают толкатели с кривошипным приводом. Для управления ими не требуется устанавливать реле времени, так как темп толкания может быть задан изменением числа оборотов электродвигателя, приводящего во вращение кривошипный механизм.

2.7 Автоматическое управление электрическим режимом

индукционной установки

Индукционный нагрев характеризуется  энергетическими и термическими параметрами. Энергетические параметры - удельная мощность и время нагрева – определяют количество тепловой энергии, переданной детали, и достигнутую температуру.

Величина удельной мощности определяет скорость нагрева. Термические параметры – скорость нагрева в области фазовых превращений и конечная температура – определяют характер и интенсивность фазовых превращений.

Стабилизация индукционного  нагрева в установках ТПЧ производится стабилизация напряжения на инверторе. В этом случае для питания цепи возбуждения инвертора используют схемы имеющие обратную связь от напряжения на выходе ТПЧ с тиристорными возбудителями.

При этом стабильность форм кривых изменения  мощности и температуры нагрева  гарантируется  при полном сохранении параметров установки и настройки.

Контролёры для дозирования  индукционного нагрева позволяют  управлять режимом нагрева в соответствии с заданной технологами термической кривой и получат стабильные результаты  закалки (глубину закаленного слоя, микрструктуру и твердость на любой установке с необходимыми для нагрева частотой мощностью.

   Рисунок 2.5-Схема установки с устройством для программного

 регулирования индукционного нагрева

Индукционные установки с автоматическим управлением  работают с обратной связью от сигнала термопары или напряжения (или тока) индуктора.

 

 

Рисунок 2.6-Структурная схема индукционной установки.

На рис. 2.6 изображена схема установки с устройством для автоматического регулированием индукционного нагрева по напряжению. Основным узлом является блок согласования (БС).

Блок согласования осуществляет генерирование сигналов управления, для тиристорных ключей в каждом такте работы. ФСУ (формирователи сигналов управления), в соответствии с требованиями циклического чередования фаз сети во время равенства интервалов коммутации тиристоров или другими особенностями управления, направленными на получение ожидаемых параметров ТП.

 

 

 

                                         а)                                                                                            б)

Рисунок 2.7-Осцилограммы температуры (Т ) и кривая изменения (U_инд ) напряжения на зажимах индуктора.

а) с использованием устаревших технологий.

б) с использованием  современных  технологий

2.8 Расчет параметров индуктора

Для расчёта задано внутренний диаметр индуктора Dı=44мм;диаметр изделия D2=40мм, толщина индуктирующего провода dı=12мм; ширина индуктора и активного слоя а1 =а2 =а =2,8см; глубина закаленного х_к=10мм; размеры b1=2,8см; b2=18,5см; l₁=100мм; l2=50мм; d_ш=0,2см.

h_ш=0,2см; частота f=2000Гц; удельная мощность в нагреваемом изделии pо=0,814 кВт/см².

Требуется определить напряжение на индукторе U_и; ток в индукторе Ι_и, коэффициент на индукторе cos φ_и, КПД инд.ηи мощность, подводимую к индуктору Р_и. Время нагрева tк.

1. Расчетный диаметр детали;

                                                                               (2.5)

                                   ;принимаем                               (2.6)

μ2=16(m=-0,6) Из таблицы 3-4 [1] находим,

что М=0,902; тогда ξ=М∆к=0,0101м. При этом

D′2= D2-ζ=0,04-0,01=0,03м.

2. Приведенное значение удельной мощности

                                   р о′ =р оD2 /D2′=8,14·10 ⁶·0,04:0,03=10,8·10⁶ вт/м²        (2.7)

 

3. Относительная магнитная проницаемость.

Задаваясь несколькими  значениями m,находим по таблице 3-1, 3-2, 3-3, [1] соответствующие значения K, N,cosφ и определяем Н_me , Н_mk пользуясь формулой (3-26) [1].

По усредненной кривой намагничивая на рис 2.5 [1] находим  μ2′, как показано в примере 3-1 [1]. Построив графики μ 2= f(m)  и μ2′= f(m), подобные  приведенным  на рис.3-7 получим  μ2=15,4; m=-0,594, k=1,433, cosφ=0,923,sinφ=0,386.

4. Активное и внутреннее реактивное сопротивления нагреваемого слоя.

(2.8)

х_м2=r ₂·sinφ/cosφ= 5,6·10^-4·0,386/0,923=2,3·10 ^-4ом

5. Реактивное сопротивление хе. Так как   а 1=а2=а

то х е=х 10k1/(1-k1); х10=ωμ0S1/а=2π·2000·4·10 ^–7(4·0,028)=16,45·10 ^-4ом.         (2.9)

 k1=f(D1/а )=f(0,044/0,028)=0,61(по рис 6-2) [1]

xе=16,45·10^{- 4}·061/0,39=25,7·10 ^-4ом.

6. Реактивное сопротивления рассеяния.

Xs=ωμ0( S1- S2)/а=2π·2000·4π·10 ^-7π(0,044²-0,040²) / (4·0,028)=1,48·10^-4 ом.   (2.10)

7. Коэффициент приведения  активного сопротивления детали

[=(г2/хе)²+[1+(хs+х _м2)/хe]²=(5,6/25,7)²+[1+(1,48+2,3)/25,7]²=0,73                 (2.11)

8. Приведенное активное сопротивление.

r2′=сr2=0,73·0,56=4,08·10 ^-4ом                                                                          (2.12)

9. Приведенное реактивное сопротивление.

х2′=с(хs+х_м2+[(хs+хм2)²+r2²]/хe)=

=0,73(1,48+2,3+[(1,48+2,3)²+5,6²]/25,7)=5,5·10^-4ом                                       (2.13)

10. Активное и внутреннее реактивное сопротивление индуктирующего провода:

r_1п=ρ1πD1/(аd1q)=0,02·3,14·44/28·1,2·0,9≈0,09∙10^-4ом                                     (2.14)

                                                                     (2.15)

d₁/Δ ₁=7,5; k г≈ kх ≈ d1/∆₁=7,5                                                                           (2.16)

r1=r 1_п k_r=х _м1=г_1п k_х=0,09·7,5=0,67·10ом                                                         (2.17)

11. Активное сопротивление шин.

r_{ш k}=2p1l_kk_r (d ш bk′)                                                                                            (2.18)

D 1/Δ₁=0,002/0,0016=1,25  k _r=1,2(по таб 4-1[1]                                            (2.19)

в2′=(0,028+0,185)/г=0,106м                                                                             (2.20)

r _ш1=2·2·10 ^-8·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,8571·10 ^-4ом                                         (2.21)

r_ш2=2·2·10 ^-8·0,05·1,2/(0,002·0,106)=0,11·10 ^-4ом                                            (2.22)

r _ш=r_ш1+r _ш2=0,96·10 ^-4ом                                                                                  (2.22)

12. Реактивное сопротивление шин.

Х _шk=2p₁l _k k_x/(d _шb_k ′)+7,9·10 ^-6fh_шl_k/b´_k                                                          (2.23)

X_ш1=2·2·10⁸·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,85·10⁴oм+7,9·10⁶·2000·0,002·0,1/0,028=

=1,97·10 ^-4ом                                                                                                     (2.24)

Х_ш2=0,163·10 ^-4ом х_ш=2,133·10^-4ом.                                                                (2.25)

13. Активное, реактивное и полное сопротивления индуктора.

r_и=r ш+r 1+r 2′=0,96+0,67+4,08=5,71·10^-4ом                                                    (2.26)

Х _и=х ш+х μ1+х2′=2,133+0,67+0,55=8,3·10^-4ом                                                (2.27)

                                                       (2.28) 

14. КПД индуктор

η _и=r ´₂/r _и=4,08/5,71=0,71                                                                                (2.29)

15. Коэффициент мощности индуктора

cosφ=r_и/z_и=5,71/10,1=0,565                                                                              (2.30)

16. Мощность, передаваемая в нагреваемую деталь.

Р2=πD₂ap₀=3,14·40·28·0,814=2,8·10⁴ом.                                                          (2.31)

17. Ток в индукторе.

 кА                                                                   (2.32)

18. Напряжение на индукторе.

U_и=U´_и=I _иZ_и=8284·10,1·10^-4=8,3в                                                                   (2.33)

19. Мощность,  подводимая к индуктору.

P_и=P2/η_и′=2,8·10⁴/0,71=39,4квт.                                                                       (2.34)

20. Задаваемая ч=0,1 Из таблицы П-2 с помощью интерполирования определяем

S(0,246;0,01)=0,1040; S(0,246; 0,2; 0,1)=0,067                                              (2.35)

по формуле (7-29)

Т 0=(0,1+0,1040) / (0,1+0,067)=1,2                                                                   (2.36)

21. По графику (7-5) [1] определяем требуемое время .

Из графика находим    tk=10c     p0=4.78·10⁶вm/μ²

 

 

 

 

 

 

2.9 Выбор способа и среды охлаждения

 

Для охлаждения стальных деталей  при закалке в качестве закалочных сред применяют воду, водные растворы солей, расплавленные соли и минеральные масла таблица. 1.

      Таблица 2.2 Масла, применяемые для закалки сталей

Название  масла	Температура, ˚С			Охлаждающая способность по отношению к воде
	вспышки	застывания	применения
Индустриальное 12 (веретенное 2)…. Индустриальное 20 (веретенное3)…. Индустриальное 30 (веретенное)…. Индустриальное 45 (машинное С)…. Индустриальное 50 (машинное СУ)…. Трансформаторное... Авиационное МС-20 (светлокалящее)… Цилиндровое тяжелое 52 (вапор)*…	165   170   180   190   200   135 225   310	-30   -20   -15   -10   -20   -45 -18   -5	120-150   120-150   120-160   120-170   120-180   80-110 130-200   200-280	0,21-0,22   0,21-0,22   0,21-0,22   0,21-0,22   0,21-0,22   0,17 021-0,22   0,21-0,22

 

*Применяется  исключительно для отпуска.

Закалочные среды  с разной интенсивностью отводят  тепло от нагретых под закалку деталей. При выборе закалочной среды учитывают химический состав стали и степень допустимой деформации. Единой универсальной среды для закалки стали не имеется, поэтому пользуются различными средами (табл. 2.2).

При 10% -ом водном растворе едкого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в области трооститных превращений (600-500˚С) больше скорости охлаждения в пресной воде в 2 раза.

В области мартенситных превращений (300-200˚С) соленная и пресная  вода охлаждает одинаково. Это преимущество водных растворов солей используется в практике термической обработки . Чтобы уменьшить коробление при закалке инструмента из стали У10, У12, водные растворы обычно подогревают до 30˚С.

 

2.9.1 Скорость охлаждения стали в зависимости от

закалочных  сред

В отличие от воды охлаждающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы снизить напряжения и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой темплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло. При отсутствии масла применяют горячую воду (80ºС).

Таблица 2.3 Скорость охлаждения стали.

Закалочная  среда	Скорость охлаждения,град/с, в интервале температур, ºС
	600-500	300-200
Вода:  При 20ºС(спокойная) 20ºС (циркулирующая) 40ºС Дистиллированная при 20ºС…80ºС… 10%-ные водные растворы:          поваренной соли          едкого натра          соды(Nа2СО3) Минеральное масло при 20ºС… Эмульсия(смесь масла  и воды).. Керосин………………………….	600 350 100 250 30   1100 1200 800 120 70 170	270 700 270 200 200   300 300 270 25 200 50