Индукционная печь

23. Требования к составу исполнителей:

Исполнители должны иметь определённый уровень знаний в данной сфере, должны корректно и в сроки выполнять научные работы.

 

 

2. Технико-экономическое обоснование

С помощью индукционных кузнечных нагревателей (ИКН) очень удобно нагревать металлические заготовки для целей горячей штамповки, ковки, гибки и высадки. По сравнению с электрическим печным нагревом, индукционный нагрев имеет ряд неоспоримых преимуществ:

• Значительно снижаются энергозатраты, что особенно важно в наше непростое для производства время.
• Во много раз снижает время нагрева заготовок, что резко повышает производительность производства.
• За счет автоматизации подачи заготовок, улучшается точность их нагрева до заданной температуры.
• Уменьшается количество окалины, что в свою очередь значительно повышает стойкость штамповой оснастки.
• Улучшаются условия труда, это поймет каждый, кто хоть раз стоял у жерла открытой печи с большим количеством заготовок.
• Освобождаются дополнительные площади в цеху, за счет меньших габаритов индукционного оборудования.

Все эти преимущества достигаются за счет того, что в зависимости от рабочей частоты индукционный нагрев проникает от нескольких мм до нескольких см в глубину заготовки. В итоге максимальная температура нагрева создается на определенной глубине от поверхности детали.  Естественно, нагрев детали изнутри способствует лучшей теплопередаче в глубину заготовки. Различают высокотемпературный нагрев для штамповки и высадки стали 1200°С и низкотемпературный 850°С. Технология штамповки может предусматривать и промежуточную температуру между этими значениями.

Существуют научнообоснованные требования по максимальной разнице температур по всему объему заготовки для обеспечения требуемой пластичности и однородности металлов. Для углеродистой стали максимальная разница температур составляет 100°С. Для других металлов и особых случаев разница может составлять 50°С.

Ориентируясь на эту разницу температур, рассчитывается время нагрева заготовки. Дело в том, что индукционный нагрев с высокой удельной мощностью может расплавить поверхность заготовки, при этом ее сердцевина останется холодной. Передача тепла внутрь заготовки осуществляется только за счет теплопроводности. Поэтому наша задача заключается в том, что бы создать на глубине горячего проникновения индукционного поля высокую температуру. Однако она должна быть существенно ниже температуры плавления металла. И выдержать в таком состоянии время, необходимое для проникновения тепла вглубь заготовки. Понятно, что чем толще сама заготовка, тем большее время потребуется для ее равномерного нагрева. Для сокращения времени нагрева заготовок большого диаметра полезно использовать более низкие частоты, чем для нагрева тонких заготовок.

Таблица 1

Диаметр заготовки, мм	Время нагрева, с	Удельная мощность, Вт/см2	Диаметр заготовки, мм	Время нагрева, с	Удельная мощность, Вт/см
Частота =6000 Гц (глубина горячего проникновения  индукционного поля в металл = 7 мм)
15	5	505	45	90	82
20	7,5	400	50	125	67
25	13,5	300	60	227	–
30	22,5	205	70	405	–
35	35	149	80	650	–
40	58	108
Окончание таблицы 1
Частота =2000 Гц (глубина горячего проникновения  индукционного поля в металл = 12 мм)
40	30	195	75	207	58
45	45	162	80	250	51
50	58	133	90	345	40
55	77	110	100	460	33
60	102	93	120	850	24
65	132	78	140	1640	17
70	167	68	160	1910	13
Частота =500 Гц (глубина горячего проникновения  индукционного поля в металл = 20 мм)
70	97	190	110	320	53
75	115	143	120	120	43
80	136	116	130	600	34
85	157	100	140	775	28
90	181	87	150	985	23
95	207	76	160	1200	20
100	240	68

 

 

Соответственно, чем большую производительность должен выдавать ИКН при нагреве заготовок большого диаметра, тем большее количество заготовок должно одновременно находиться в футерованной индукционной катушке, являющейся нагревающим органом ИНК. Сводную информацию по удельной мощности на квадратный сантиметр, времени нагрева, рабочей частоте и диаметре заготовок можно увидеть в таблице 1.

Из нее, например, следует:

Что для нагрева заготовки диаметром 50 мм на частоте 2000 Гц потребуется 58 секунд при удельной мощности 133 Вт/см².

Для нагрева той же заготовки на частоте 6000 Гц потребуется 125 секунд при удельной мощности 67 Вт/см².

Можно сделать вывод, что в данном случае увеличение частоты в 3 раза приводит к снижению примерно в 2 раза разрешенной удельной мощности и увеличению в 2 раза времени нагрева заготовок.

С помощью таблицы 1 можно весьма приблизительно оценить необходимую мощность ИКН. Однако необходимо учесть, что для расчета площади нагрева берется только боковая поверхность заготовки, за исключением торцов. И существуют потери передачи энергии от индукционной катушки к нагреваемой детали, доходящие до 30-50%, в зависимости от конструкции катушки и соотношения диаметров катушки и нагреваемой заготовки. Чем ближе диаметр нагреваемой детали к внутреннему диаметру индукционной катушки, тем меньше потери энергии на рассеивание электромагнитного поля в пространстве. Однако чем меньше толщина футеровки, находящейся между индукционной катушкой и нагреваемой деталью, тем большее количество тепла вымывается из катушки охлаждающей ее водой.

Таблица 2

Рабочая частота, Гц	Глубина горячего проникновения, мм	Оптимальный диапазон диаметров заготовок, мм
50	76	266 – 608
500	25	88 – 200
1000	17	60 – 136
2500	11	39 – 88
4000	9	32 – 72
8000	6	21 – 48
10000	5	18 – 40

 

 

Часто возникает вопрос об универсальности ИКН при нагреве заготовок различного диаметра. Конечно, никто не запрещает нагревать в индукторе большого диаметра тонкие заготовки, однако КПД такого нагрева будет чрезвычайно низким. Нормальным можно считать соотношение максимальных и минимальных диаметров заготовки на уровне 1,5-1,7 раза. Т.е. если максимальный нагреваемый диаметр 50 мм, можно греть заготовки с минимальным диаметром 30-35 мм.

Важно правильно выбирать оптимальную рабочую частоту ИКН для нагрева заготовок различного диаметра исходя из данных представленных в Таблице 2.

Для ИКН всегда действуют следующие правила:

• Для нагрева большей массы металла в единицу времени требуется большая мощность.
• Чем больше диаметр заготовки, тем ниже должна быть рабочая частота и больше время нагрева.
• Чем жестче требования по однородности температурных полей в заготовке, тем меньше должна быть удельная мощность и больше время нагрева.

Рис. 1. Индукционный кузнечный нагреватель ИКН - 35

 

 

 

 

 

Таблица 3

Основные технические показатели установки

индукционного кузнечного нагрева

Модель	Индукционный кузнечный нагреватель ИКН – 35
Дополнительное оборудование	Транзисторный индукционный нагреватель СЧВ – 35
Диаметр заготовок, мм	16 - 20
Потребляемая мощность, кВт	35
Производительность, кг/ч: Стали до 1200°С Меди до 700°С Алюминий до 500°С	60 – 70 105 87

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет себестоимости

Смета затрат на выполнение темы (сметная себестоимость) можно определить по формуле:

, где

 – прямые материальные затраты;

 – затраты по основной заработной плате исполнителей темы (включая руководителей темы);

 – затраты по дополнительной заработной плате исполнителей темы;

  – на социальное страхование (по единому социальному налогу); 

 – затраты  на использование оборудования;

 – накладные (общехозяйственные) расходы;

 

Расчет прямых материальных затрат:

Расчёт ведётся по формуле:

, 

где Кт – коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы (1,15-1,25);

m – количество видов (номенклатура) материальных ресурсов, потреблённых при выполнении темы;

 – цена приобретения единицы i-ого вида потреблённых материалов;

 – количество материальных ресурсов i-ого вида, планируемых к использованию для выполнения темы.

 

 

Расчет затрат на основную заработную плату:

, 

где n – количество видов  работ (количество категорий исполнителей);

 – занятость по теме i-ой категории исполнителей;

 – месячный оклад исполнителей i-ой категории;

 – количество исполнителей i-ой категории.

Итоги расчётов по основной зарплате приведены в таблице 4.

Таблица 4

Расчёт затрат на основную заработную плату

n	Ri	Lмесi, руб/ мес	Ti, мес	Sзосн
Научный руководитель	1	20000	1,5	30000
Инженер – исследователь	1	15000	14	210000
Лаборант	1	7000	14	98000
Итого				338000

 

Расчет затрат на дополнительную заработною плат:

, 

где – основная зарплата персонала;

 – коэффициент, учитывающий доплаты (0,1-0,15).

,

 

Расчет взносов по ЕСН:

В 2015 году страховые взносы надо платить по следующим тарифам: в ПФР – 22 процента, в ФОМС – 5,1 процента, в ФСС – 2,9 процента. Суммарная итоговая ставка составляет 30 процентов. 

, 

где – основная заработная плата персонала;

 – дополнительные выплаты персоналу.

 

Затраты на оборудование:

, 

где m – количество типов оборудования, используемого при выполнении темы;

 – себестоимость одного машино-часа работы i-ого типа оборудования;

 – планируемая продолжительность использования оборудования i-ого типа при выполнении темы;

, 

где ФЗП – годовой фонд основной зарплаты;

Э – годовые затраты на электроэнергию, потребляемую оборудованием;