АСУ индукционной печи

 

2.6 Выбор схемы нагревателя

 

Для нагрева цилиндрических заготовок  по всей длине оптимальными с энергетической точки зрения является методические нагреватели с цилиндрическими  индукторами, в которых одновременно нагревается несколько заготовок. Заготовки подаются в такие индукторы  с наклонных лотков при помощи толкателей. Пневматические толкатели отличаются простотой в изготовлении и не требуют специального привода, так как магистрали сжатого воздуха обычно имеются на заводах, поэтому используются чаще других.

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)

 

                   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/смІ.

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

1. Расчетный диаметр детали;

       

Принимаем:    

         μ2=16(m=-0,6) 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/мІ    

 

3. Относительная магнитная проницаемость.

Задаваясь несколькими  значениями m,находим соответствующие значения K, N, cos φ и определяем Н_me , Н_mk.

По усредненной  кривой намагничивая, находим μ2′. Построив графики μ2=f(m) и μ2′=f(m), получим μ2=15,4; m=-0,594, k=1,433, cos φ=0,923, sin φ=0,386.

4. Активное и внутреннее реактивное сопротивления нагреваемого слоя.

 

 

х_м2=r₂·sin φ/cos φ= 5,6·10^-4·0,386/0,923=2,3·10^-4 ом

 

 

5. Реактивное сопротивление хе

 

Так как а 1=а2=а то хе=х 10k1/(1-k1); х10=ωμ0S1/а=2π·2000·4·10 ^–(4·0,028)=16,45·10^-4ом.         

k1=f(D1/а )=f(0,044/0,028)=0,61

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

 

6. Реактивное сопротивления рассеяния.

 

Xs=ωμ0( S1- S2)/а=2π·2000·4π·10 ^-7π(0,044І-0,040І) / (4·0,028)=1,48·10^-4 ом.

 

7. Коэффициент приведения активного сопротивления детали

 

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

 

8. Приведенное активное сопротивление.

 

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

 

9. Приведенное реактивное сопротивление.

х2′=с(хs+х_м2+[(хs+хм2)І+r2І]/хe)=

=0,73(1,48+2,3+[(1,48+2,3)І+5,6І]/25,7)=5,5·10^-4 ом

 

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^-4 ом

      

d₁/Δ ₁=7,5; k г≈ kх ≈ d1/∆₁=7,5

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

 

11. Активное сопротивление шин.

 

r_{ш k}=2p1l_kk_r (d ш bk′)         

D1/Δ₁=0,002/0,0016=1,25 k_r=1,2   в2′=(0,028+0,185)/г=0,106 м        

r_ш1=2·2·10^-8·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,8571·10^-4 ом    

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

r_ш=r_ш1+r_ш2=0,96·10^-4 ом        

 

12. Реактивное сопротивление шин.

 

Х_шk=2p₁ l_k k_x/(d_ш b_k′)+7,9·10 ^-6fh_шl_k/bґ_k      

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

=1,97·10^-4 ом

Х_ш2=0,163·10^-4 ом х_ш=2,133·10^-4 ом

 

13. Активное, реактивное и полное сопротивления индуктора

 

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

Х_и=х ш+х μ1+х2′=2,133+0,67+0,55=8,3·10^-4 ом     

      

 

14. КПД индуктор

 

η_и=r ґ₂/r _и=4,08/5,71=0,71        

 

15. Коэффициент мощности индуктора

Cos φ=r_и/z_и=5,71/10,1=0,565        

 

16. Мощность, передаваемая в нагреваемую деталь.

 

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

 

17. Ток в индукторе.

 

 кА       

 

18. Напряжение на индукторе.

 

U_и=Uґ_и=I _иZ_и=8284·10,1·10^-4=8,3 в       

 

19. Мощность, подводимая к индуктору.

 

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

 

20. Задаваемая ч=0,1 с помощью интерполирования определяем

 

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

Т 0=(0,1+0,1040) / (0,1+0,067)=1,2

 

21. Определяем требуемое время.

 

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 из табл. 2.2.

 

Таблица 2.1 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. 2.1).

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 темплопроводимостью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло. При отсутствии масла применяют горячую воду (80єС).

 

Таблица 2.2 Скорость охлаждения стали.

Закалочная среда	Скорость охлаждения, град/с, в интервале температур, єС
	600-500	300-200
Вода:  При 20єС(спокойная) 20єС (циркулирующая) 40єС Дистиллированная при 20єС…80єС… 10%-ные водные растворы:  поваренной соли  едкого натра  соды(Nа2СО3) Минеральное масло при 20єС… 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

 

 

Основные способы закалки стали - закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая.

Закалка в одном охладителе. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают  в закалочную жидкость, где она  находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке  несложных деталей, изготовленных  из углеродистых и легированных сталей.

Детали из углеродистых сталей охлаждают  в воде, а детали из легированных сталей- в масле этот способ используют и при механизированной закалке , когда детали автоматически поступают  из агрегата в закалочную жидкость.

Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т.е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое  время выдерживают на воздухе. Это  уменьшает внутренние напряжения в деталях и исключает образование трещин.

Закалка в  двух средах (или прерывистая закалка).

Деталь сначала охлаждают в  быстроохлаждающей среде-воде, а  затем переносят её в медленно охлаждающую среду-масло; применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Струйчатая закалка. Детали, нагретые до температуры закалки, охлаждают струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита. При струйчатой закалке не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.

Закалка с  самоотпуском. Детали выдерживают в  охлаждающей среде не до полного  охлаждения, а до определенной стадии, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для сомоотпуска.

Ступенчатая закалка. При этом способе закалки  нагретые детали охлаждают сначала  до температуры несколько выше точки М_н (в горячем масле или расплавленной соли), затем после короткой выдержки при этой температуре (до начала промежуточных превращений) охлаждают на воздухе. На второй стадии охлаждения сталь принимает закалку.

Изотермическая закалка. Детали нагревают  до заданной температуры и охлаждают  в изотермической среде до 220є-350єС, что несколько превышает температуру  начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде  должна быть достаточно для полного  превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка значительно больше, чем при ступенчатой закалке.

Изотермическая закалка позволяет  устранить большое различие в  скоростях охлаждения поверхности  и сердцевины деталей, которое является основной причиной образования термических  напряжений и закалочных трещин. После  изотермической закалки детали приобретают  высокую или среднюю твердость, высокую вязкость и хорошую сопротивляемость ударным нагрузкам. Изотермическая закалка в ряде случаев исключают операцию отпуска, что сокращает на 35-40% цикл термической обработки.