1. Особенности глубокого индукционного нагрева заготовок
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. Вспомните слоган компании «Мосиндуктор»: «Согревая изнутри». 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.
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 вы можете 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 учтите, 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. Главный закон диалектики – единства и борьбы противоположностей еще никто не отменял.
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.
2. Виды индукционных кузнечных нагревателей
Попытаемся составить примерную классификацию ИКН. В принципе ИКН называют любой индукционный нагреватель, использующийся для нагрева металлических заготовок для их дальнейшей объемной деформации.
Существует множество видов ИКН, отличающихся по конструкции и назначению:
А) ИКН с ручной подачей и выемкой заготовок из индуктора, поштучно или коллективно. Применяются в основном с транзисторными индукционными преобразователями малой мощности, и в случае невысокой производительности оборудования. В них может нагреваться заготовка целиком или только ее часть, конец или середина. В таких ИКН на один преобразователь может нагружаться одна или несколько параллельных индукционных катушек, для увеличения производительности при нагреве толстых заготовок. В простейшем случае может использоваться индукционная катушка (индуктор) с подкладкой из асбеста. В более сложном - индуктор, футерованный жаропрочным бетоном или керамическая, разрезная втулка для исключения растрескивания от контакта с разогретойзаготовкой.
Для замены кузнечного горна применяют индукционный нагреватель с индукционной катушкой по профилю нагреваемой детали. Индукционная катушка при этом может не охватывать всю нагреваемую поверхность. Кузнец сам, перемещая заготовку, регулирует степень нагрева той или иной ее части.
Для нагрева прутков 10-16 мм вполне подойдет нагреватель ВЧ-15А мощностью 15 кВт. Для чуть более массивных заготовок подойдет ВЧ-25А. Наиболее универсальные возможности для кузни предоставит высокочастотный индукционный нагреватель ВЧ-60АВ.
Б) Для увеличения производительности и стабилизации температуры нагрева, применяют ИКН с полуавтоматической и автоматической подачей заготовок в футерованный индуктор с помощью пневматических и гидравлических цилиндров. В полуавтоматическом варианте заготовка укладывается на направляющие вручную, а в автоматическом, подается на направляющие из бункера или вибробункера.
С помощью таймера задается периодичность подачи заготовок, а с помощью регулируемых дросселей - скорость подачи и возврата цилиндра.
В случае нагрева массивных заготовок механизируется процесс накопления и транспортировки заготовок в индуктор с помощью накопителей, гидротолкателей, роликовых транспортеров и т.п. Выдача заготовок из индуктора так же осуществляется цепным или роликовым транспортером. Движение нагретой заготовки в индукторе, как правило, осуществляется по направляющим. На маломощных ИКН, направляющие могут быть выполнены из нержавеющих трубок или нихромового уголка. На более мощных моделях направляющие делают из водоохлаждаемых нержавеющих трубок. Расположение направляющих непосредственно в зоне нагрева «съедает» до 8% энергии ИКН.
В) Иногда бывает необходимо нагреть очень массивную и длинную заготовку. Ее невозможно «пропихнуть» в индуктор по неподвижным направляющим, заготовка просто их сносит. В этом случае применяют, вынесенные за пределы индуктора водоохлаждаемые ролики, а индуктор делают многосекционным. Иногда до десяти секций и более. Питание на раздельные секции индукторов может подаваться от одного мощного генератора. Российские производители любят применять схему с раздельной подачей питания на каждую секцию индуктора от собственного менее мощного генератора. По их мнению, это увеличивает надежность устройства в целом.
Г) ИКН часто применяют для линейного нагрева сплошных заготовок. Например, проволоки или прута из бухты. Схема построения такого ИКН примерно такая же, как и в предыдущем случае. Индуктор секционируют на 3-20 частей, а между секциями располагают водоохлаждаемые ролики. Как правило, для питания ИКН линейного нагрева используют достаточно мощные тиристорные преобразователи мегаватного класса. Однако при небольшом диаметре заготовки и невысокой производительности возможно построение ИКН для линейного нагрева на одном индукторе, как это изображено на рисунке. Такие нагреватели хороши для навивки пружин для автомобилей.
Д) В зависимости от длины и диаметра заготовки, применяют различные схемы подачи заготовок в индуктор. Если заготовки короткие, их, как правило, подают в круглый индуктор вдоль, располагаю как вагоны в поезде. Регулируя производительность нагрева с помощью длины индуктора.
Если же заготовка длинная ее подают в щелевой индуктор боком, т.е. поперек. Индуктор при таком способе подачи становится значительно короче, заготовки в нем перекатываются с боку на бок, что улучшает равномерность их нагрева. К параллельной подаче заготовок в индуктор прибегают в том случае, когда нужно греть длинные и массивные заготовки.
3. Транзисторные и тиристорные преобразователи частоты
В настоящее время для питания индукционных кузнечных нагревателей используют транзисторные и тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ).
Транзисторные преобразователи обладают рядом преимуществ, таких как:
Повышенная надежность, меньшие габариты и вес. Только транзисторные преобразователи имеют автоматическую подстройку частоты генерации в очень широких пределах. От 1-го до 20-ти кГц, это практически 2000%. Что дает возможность нагружать их на индукционные катушки с громадным разбросом индуктивности. Это важно в случае использования транзисторного генератора для питания нескольких устройств индукционного нагрева. Или в том случае, когда на одном устройстве применяются индукционные катушки различного диаметра и количества витков.
Например, для питания индукционных трубогибов, применяемых при производстве отводов труб различного диаметра. Следует иметь ввиду, что для питания трубогибов, производящих крутоизогнутые стальные отводы бывает необходимо локализовать зону нагрева. Подобную локализацию можно обеспечить только при использовании мощного закалочного трансформатора. В этом случае можно выдать всю энергию генератора всего в один широкий виток индукционной катушки. В настоящее время уже доступны транзисторные преобразователи частоты мощностью несколько МВт, имеющие КПД 97,5%.
Тиристорные преобразователи частоты применяются в ИКН достаточно давно. Они очень хороши, когда необходимая мощность нагрева приближающаяся к одному МВт и более. В настоящее время доступны тиристорные преобразователи частоты мощностью 20-25 МВт, применяемые для плавки до 110 тонн стали. Для питания подобных монстров применяют специальные понижающие трансформаторы с выходным напряжением, достигающим 1000 и более Вольт, и количеством фаз до 12-ти.
При преобразовании таких больших мощностей особой проблемой становится борьба с электрическими наводками в электросетях, попросту говоря, возникают сильные помехи, мешающие работе систем управления преобразователем. Для борьбы с этим явлением применяется оптоволоконные линии между платами управления. ТПЧ такого уровня оснащаются системами самотестирования электрических компонентов, с выводом результатов через модем в интернет. В случае сбоев в работе оборудования, можно протестировать ТПЧ с помощью производителя оборудования через интернет. Преобразователи оснащаются дисплеями с сенсорным управлением, что делает работу с ними простой и приятной.
КПД тиристорных преобразователей достигает 92%, что тоже очень неплохо. Однако они, как правило, имеют большие, чем у транзисторных моделей габариты и вес. И обычно имеют фиксированную частоту генерации. Или частота подстраивается в небольших пределах. В том случае, когда необходимо согласовать рабочую частоту тиристорного преобразователя с различной по индуктивности нагрузкой применяют переключаемые банки водоохлаждаемых конденсаторных батарей. Есть и устройства автоматического переключения емкости. Тиристорные преобразователи частоты традиционно используют для питания мощных ИКН и индукционных плавильных печей, с весом плавки от 0,1 до 110т.
4. Футерованные индукционные катушки
Индуктор для мощного индукционного кузнечного нагревателя представляет собой следующую конструкцию. К навитой с необходимым диаметром и шагом прямоугольной медной трубке припаивают медные шпильки с резьбой. Затем индукционную катушку обматывают киперной лентой из стеклоткани и пропитывают изолирующим лаком. После высыхания лака, на медные шпильки крепят медными гайками стеклотекстолитовые направляющие. Они служат для исключения разрушения катушки от вибрации, создаваемой мощными индукционными полями и придания жесткости всей конструкции. Припаивают или приваривают вводы-выводы электроэнергии и воды.
Внутрь катушки для уплотнения и теплоизоляции вставляют асбест или микалит в виде рулона толщиной несколько мм, а затем задвигают кольца или трубу из жаропрочного материала. Таким материалом может служить жаропрочный бетон, керамика, глинозем и т.п. Так же используются всевозможные окислы редкоземельных элементов. Как уже описано выше, внутри футерованного индуктора размещают направляющие для движения заготовок.
Чем лучше футеровка держит высокую температуру и механические нагрузки, тем дольше она прослужит в условиях высокотемпературного нагрева. Срок службы футеровки может быть различным, от нескольких недель до нескольких месяцев.
В любом случае, покупая автоматический ИКН с футерованным индуктором, подумайте, как вы будете ремонтировать вышедшую из строя футеровку.
Часто индукционные катушки для ИКН имеют многоточечный подвод энергии и воды. Делается это для обеспечения энергетических условий эксплуатации индуктора. Попросту говоря, для того, что бы обеспечить нагрев необходимых заготовок и не расплавить во время работы индуктор.
При нагреве медных и алюминиевых билет большого диаметра иногда закрывают крышками входное и выходное отверстия индуктора. Учитывая большое время нагрева билет, это делается для сохранения тепла внутри индуктора. Таким образом, мы получаем аналог печного нагрева в индукционном исполнении, конечно при большей эффективности нагрева.
5. Меры безопасности
Как бы мы этого не желали, при работе ИКН мощностью несколько мегаватт, сотни киловатт электромагнитной энергии излучаются в окружающее пространство. Мощные магнитные поля иногда даже становятся причиной перекашивания и заклинивания деталей при их движении в индукторе. Они же рассеиваясь в пространстве, могут стать причиной электрических наводок в любом металлическом оборудовании рядом с ИКН, и частях его конструкции. Для экранирования рассеянных полей иногда используют металлический кожух вокруг индукционной катушки. А торцевые части индуктора, где наблюдается максимальная концентрация полей, делают разрезными из металла и даже оснащают системой водяного охлаждения. Для отведения выделяющегося тепла. Понятно, что сам ИКН и все подающее оборудование следует тщательно заземлить. В любом случае, присутствие людей рядом с источником мощного электромагнитного излучения следует ограничивать.
Спецификации на индукционные кузнечные нагреватели смотрите здесь >>>
6. Системы охлаждения
Для нормальной работы любого ИКН необходимо обеспечить его эффективное охлаждение проточной водой. Как правило, для охлаждения силовой электроники ТПЧ используют контур замкнутого водоснабжения с водой максимально очищенной от солей. А для охлаждения индуктора - техническую воду, желательно с минимальным содержанием солей, для исключения засоления индуктора. Требования по входящей температуре воды, как правило, не превышает 40°С. Давление на входе ИКН в пределах 1-3 атм. Его нужно уточнить в Руководстве пользователя на оборудование.
Ни в коем случае нельзя допускать закипания воды, охлаждающей индукционную катушку. Закипание сигнализирует о себе звонким шумом в индукторе. Любое образование пузырьков пара в катушке может привести к выгоранию участка медной трубки. Трубка в индукторе несет большую энергетическую нагрузку, от расплавления ее спасает только постоянное вымывание водой излишков тепла.
Градирни
Для охлаждения индукционных установок большой мощности, как правило, используют градирни. Это установки, в которых охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но и за счет испарения воды. Для ускорения испарения воды градирни обязательно оборудуются электрическим вентилятором.
Градирни бывают одноконтурные, когда охлаждающая вода одновременно испаряется, и двухконтурные, когда дистиллированная охлаждающая вода течет по замкнутому контуру из медных трубок, а трубки поливаются испаряющейся водопроводной водой. Двухконтурные градирни дороже одноконтурных, но исключительно экономны по расходу дорогой дистиллированной воды.
При установке градирни в отапливаемом цеху, в нее можно заливать дистиллированную воду. При размещении градирни на улице следует использовать незамерзающую жидкость – антикоррозийный, размагничивающий антифриз на основе диэтанола.
По имеющимся у нас сведениям в России двухконтурные градирни не производятся. По желанию клиентов, ТД «Мосиндуктор» может укомплектовать мощные индукционные кузнечные нагреватели двухконтурными градирнями производства КНР. Градирни имеют различную охлаждающую мощность, которая подбирается соответственно мощности индукционной установки.
При выборе одноконтурной градирни мы всегда сталкиваемся с несоответствием производительности водяного насоса градирни с потребностью индукционного нагревателя. Производительность по воде градирни намного больше. Причем если уменьшить поток воды через градирню, уменьшится ее охлаждающая мощность. В этом случае бывает полезно замкнуть поток воды от насоса градирни на себя. А для подачи охлаждающей воды на индукционную установку использовать дополнительный насос с нужной производительностью. Такой способ подачи воды, в целях экономии электроэнергии, позволяет установить термодатчик и включать насос градирни после превышения заданной температуры в баке, при постоянно включенном насосе подаче охлаждающей воды на индукционную установку.
Чиллеры
Чиллером называется автоматический фреоновый холодильник для воды. Чиллер типа Вода-Воздух сбрасывает тепло в воздух цеха или на улицу. Чиллер типа Вода-Вода отдает тепло проточной воде. Фреоновый насос позволяет удалять тепло с большой эффективностью за счет высокой разницы температур в средах. А так же поддерживает температуру охлаждающей жидкости в заданных пределах при любой температуре проточной воды и воздуха на улице или в цеху.
При выборе охлаждающей производительности чиллера следует учитывать, что фреоновый охладитель должен работать не более трети рабочего времени, а вот насос, подающий охлаждающую воду, работает непрерывно. Только в этом случае можно рассчитывать на длительный ресурс работы чиллера.
Установка чиллера типа Вода-Воздух непосредственно в цеху, позволяет использовать выделяющееся тепло для отопления цеха. Использование чиллера типа Вода-Вода позволяет существенно экономить проточную воду.
Из всех известных систем охлаждения, чиллеры являются самыми высокоавтоматизированными агрегатами, но и самыми дорогими.
При выборе чиллера для системы охлаждения индукционной установки мы так же сталкиваемся с несоответствием производительности водяного насоса чиллера с потребностью индукционного нагревателя. Как правило, производительность по воде чиллера намного больше. Есть два пути решения этой проблемы. Первый это замена насоса чиллера на насос с меньшей производительностью, что в отличие от случая с градирней, не влияет на охлаждающую мощность чиллера. Второй – установка на выходе насоса байпаса, т.е. водяной перемычки с краном регулирующим давление в централи.
Полезная литература
Нужно отметить, что СССР был «Впереди планеты всей» в области индукционного нагрева, собственно наши ученые его и изобрели. А вот после 1988 года автору не попало в руки ни одной новой книги по индукционному нагреву металлов. Однако с 1940 г по 1988 г. в СССР были изданы десятки книги по интересующей нас тематике. Нам удалось собрать библиотеку обо всех областях технологии термической обработки металлов с применением индукционного нагрева токами высокой частоты.
Таких как:· Физические основы индукционного нагрева.
· Плавка металлов в индукционных плавильных тигельных и канальных печах.
· Плавка и литье сплавов в вакууме.
· Индукционный нагрев металлов для горячей объемной штамповки.
· Автоматические индукционные кузнечные нагреватели.
· Индукционная пайка.
· Поверхностная, сканирующая закалка стали токами высокой частоты.
· Индукционная закалка токами высокой частоты валов и шестерен.
Станьте нашими клиентами, и мы всегда поможем вам серьезной методической литературой в любой области применения индукционного нагрева токами высокой частоты.
Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»
(С) 2011 Кучеров Вячеслав Васильевич
Авторские права защищены.
Гарантируется судебное преследование
за размещение статьи на любом сайте
кроме www.mosinductor.ru
