Индукционный нагрев – это способ бесконтактной тепловой обработки металлов, способных проводить электрическую энергию, под воздействием токов высокой частоты. Индукционный нагрев все активнее стал применяться на предприятиях для осуществления высокотемпературной обработки металлов. На сегодняшний день индукционное оборудование смогло занять лидирующие позиции, вытесняя альтернативные методы нагрева.
Введение
Финишной технологической операцией изготовления стальных деталей шестерней является закалка токами высокой частоты (ТВЧ).
В машиностроении принято малое зубчатое колесо называть шестерней, а большое чаще именуют «колесом» зубчатого колеса. Важнейшие параметры зубчатых колес — модуль, шаг, высота зуба, число зубьев и диаметр окружности выступов [1]. На индукционной установке обрабатываются зубчатые колеса с модулем свыше 6 мм, получаемая глубина закаленного слоя составляет примерно 1,6 мм.
В одновитковом индукторе ТВЧ с концентратором осуществляется поверхностная закалка зуба, сердцевина зуба остается «сырой» [2].
Индукционные установки ТВЧ типа «Петра-0501» применяются также с закалкой в кольцевом индукторе.
Поверхностная закалка шестерен с малым модулем, меньше 6 мм, осуществляется в кольцевом индукторе с большим количеством витков.
Как выбирается температура?
Соблюдение технологии должно сопровождаться правильным выбором температурного диапазона. В основную очередь все будет зависеть от обрабатываемого металла.
Сталь классифицируется на несколько типов:
- Доэвтектоидная – содержание углерода до 0,8%;
- Заэвтектоидная – более 0,8%.
Металл с содержанием углерода не подвергается закалке, так как получается очень низкая твердость.
Доэвтектоидная сталь нагревается до значения чуть большего, чем необходимо для преобразования перлита и феррита в аустенит. Диапазон от 800 до 850 градусов. После этого деталь с высокой скоростью охлаждается. После резкого остывания аустенит преобразовывается в мартенсит, имеющий высокую твердость и прочность. При небольшом времени выдержки получается аустенит мелкозернистой структуры, а также мелкоигольчатый мартенсит. Сталь получает высокую твердость и небольшую хрупкость.
Заэвтектоидная сталь нагревается меньше. Диапазон от 750 до 800 градусов. В этом случае производится неполная закалка. Объясняется это тем, что подобная температура позволяет сохранить в структуре некоторый объем цементита, имеющего более высокую твердость в сравнении с мартенситом. При быстром охлаждении аустенит преобразовывается в мартенсит. Цементит же сохраняется мелкими включениями. Зона также сохраняет не растворившийся полноценно углерод, превратившийся в твердый карбид.
Индукционная установка ТВЧ для поверхностной закалки крупномодульных зубчатых колес
Индукционные установки ТВЧ применяют для поверхностной закалки при индивидуальной конструкции индуктора [3].
Для закалки зубчатых колес большого диаметра используется метод поверхностной закалки зуба путем перемещения индуктора во впадине между рабочими поверхностями двух соседних зубьев. Индуктор греется ТВЧ, а затем от спрейера (душа) снизу вверх перемещается вдоль зуба колеса. Автоматизация процесса и стабилизация тока индуктора обеспечивают повторяемость качества закаленного слоя колеса. Установка зубчатого колеса больших габаритов и массы, вращение колеса, его подъем, снятие обеспечиваются тельфером.
В состав индукционной нагревательной установки входят преобразователь частоты «Петра-0120» и теплообменная станция «Петра-0305», блок силовых конденсаторов и выходной трансформатор ВЧ с комплектом индукторов охлаждения технической воды от градирни.
Одновитковый индуктор для подобной установки должен обладать большой механической прочностью, выполняться на небольшое действующее напряжение (20–50 В) и обеспечивать протекание большого тока высокой частоты (3–5 кА).
На рис. 1 показана индукционная установка ТВЧ для поверхностной закалки крупномодульных зубчатых колес.
Рис. 1. Индукционная установка «Петра» ТВЧ для поверхностной закалки крупномодульных зубчатых колес
Состав индукционной ТВЧ-установки типа «Петра»:
- станция теплообменная охлаждения «Петра-0395 СТ»;
- преобразователь тиристорный «Петра-0120»;
- блок компенсации электротермических конденсаторов;
- блок согласующий трансформаторный;
- индуктор;
- пульт управления выносной;
- оборудование для перемещения колеса;
- поворотный стол закалочного механизма.
На рис. 2 показан магнитный концентратор при индукционном нагреве для закалки ТВЧ крупномодульных по впадине зубчатых колес с шаблоном зуба.
Рис. 2. Магнитный концентратор индуктора по впадине зуба для поверхностной закалки ТВЧ
Управление механизмом загрузки/выгрузки осуществляется программируемым логическим контроллером. Отображение всех технологических параметров режима нагрева происходит на панели оператора.
Рекомендации
Примечания
- ^ аб
Руднев и др. 2002 г., п. 39 - ^ аб
Руднев и др. 2002 г., п. 58 - Руднев и др. 2002 г., п. 59
- ^ аб
Руднев и др. 2002 г., п. 1 - Руднев и др. 2002 г., п. 2
- Руднев и др. 2002 г., п. 249
- Руднев и др. 2002 г., п. 250
Библиография
- Дэвис, Джон; Симпсон, Питер (1979), Справочник по индукционному нагреву
, МакГроу-Хилл, ISBN 0-07-084515-8 . - Рапопорт, Эдгар; Плешивцева, Юлия (2006), Оптимальное управление процессами индукционного нагрева
, CRC Press, ISBN 0-8493-3754-2 . - Руднев, Валерий; Без любви, Дон; Кук, Раймонд; Черный, Мика (2002), Справочник по индукционному нагреву
, CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2 .
Тиристорный преобразователь частоты «Петра-0120»
Преобразователи частоты «Петра» используются при необходимости глубинного нагрева с последующей закалкой и для поверхностной закалки [3–6, 8]. Регулирование мощности в нагрузке производится изменением частоты выходного тока преобразователя на рабочей частоте 2,4–22 кГц. Серия тиристорных преобразователей «Петра» охватывает диапазон мощностей 30–160 кВт.
Тиристорные преобразователи частоты — автономные инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный с регулируемой частотой. Автономный преобразователь подключен на нагрузку, не связанную с сетью переменного тока.
Автономный резонансный тиристорный инвертор с обратными диодами предназначен для установки индукционного нагрева. Силовые компоненты инвертора: силовые тиристоры, устанавливаемые на охладители; встречно-обратные ВЧ-диоды, силовые коммутирующие конденсаторы, индуктивные дроссели, выходные трансформаторы ВЧ.
На рис. 3 показаны тиристорные преобразователи частоты «Петра-0120».
Рис. 3. Тиристорные преобразователи частоты «Петра-0120»
Серия полупроводниковых тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ) «Петра-0120» охватывает диапазон мощностей 30–160 кВт. Обычно преобразователь частоты используется для нагрева в составе закалочных установок и других установок, заменяет применявшиеся ранее преобразователи частоты типа ТПЧ-160 и машинные преобразователи частоты типа ВПЧ.
Установка «Петра» не требует специального помещения для установки преобразователя частоты.
На рис. 4 показан общий вид преобразователя «Петра-0120» и шкаф подключения тиристорного преобразователя частоты.
Рис. 4. Общий вид преобразователя «Петра-0120» и подключение тиристорного преобразователя частоты
Автономный независимый инвертор тиристорного преобразователя повышенной частоты получает питание от неуправляемого выпрямителя, подключенного к трехфазной сети переменного тока через устройство аварийного отключения — тиристорный выключатель постоянного тока.
Таблица 1. Технических данных преобразователей серии «Петра-0120»
| Тип преобразователей | Технические данные преобразователей серии «Петра-0120» | |||||||||
| 30×22 | 63×10 | 63×18 | 100×2,4 | 100×4 | 100×8 | 100×10 | 160×2,4 | 160×4 | 160×8 | |
| Pвых, кВт | 30 | 63 | 100 | 160 | ||||||
| Fнагр, кГц | 22 | 10 | 18 | 2,4 | 4 | 8 | 10 | 2,4 | 4 | 8 |
| Uпит, В | 380×50 Гц | |||||||||
| Uвых, В | 400, 800, 1600 | |||||||||
| Pвых, % | 10–100 | |||||||||
| КПД | 0,85 | |||||||||
| Масса, кг | 270 | 380 | 420 | |||||||
| Расход воды, м3/ч | 0,6 | 1 | 1,6 | |||||||
Неуправляемый мостовой выпрямитель уменьшает помехи в питающую сеть. При необходимости бесконтактное устройство защиты преобразователя обеспечивает отключение преобразователя.
Регулирование мощности тиристорного преобразователя в колебательной нагрузке выполняется изменением частоты выходного тока преобразователя.
Последовательный автономный инвертор с дросселем постоянного тока с неуправляемым мостовым выпрямителем обеспечивает быстродействующую бесконтактную защиту преобразователя частоты при аварийных режимах.
Разработан тиристорный преобразователь частоты, который предусматривает:
- частотное управление мощностью преобразователя для нагрева нагрузки;
- автоподстройку преобразователя частоты при переменной нагрузке;
- диапазон регулирования мощности 10–100%;
- высокий коэффициент мощности по отношению к питающей сети;
- эффективную быстродействующую бесконтактную защиту.
На рис. 5 показаны габариты и основные размеры шкафа серии «Петра-0120».
Рис. 5. Габаритный чертеж шкафа преобразователей частоты серии «Петра-0120»
Сварной прочный шкаф специальной конструкции обеспечивает герметизацию, низкий уровень шума, но имеет значительный вес, и для перемещения статического преобразователя предусмотрены рым-болты.
На фасаде шкафа имеется панель управления, справа — ввод питания от трехфазной сети, выход специальных силовых кабелей к ВЧ, с обратной стороны — ввод для охлаждения «чистой» воды.
Охлаждение силовых преобразователей серии «Петра-0120» обеспечивает необходимый расход технической воды: конденсаторный блок; блок трансформаторный согласующий и индуктор.
Индуктор нагревательный ТВЧ
(лат. inductor, от induce — ввожу, нахожу, побуждаю) электромагнитное устройство, предназначенное для индукционного нагрева ТВЧ. Индуктор ТВЧ состоит из двух основных частей — индуктирующего провода, с помощью которого создаётся переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии. Проводящее электрический ток тело, помещенное в магнитное переменное поле, нагревается вследствие теплового действия вихревых токов, наводимых в участках изделия, непосредственно охватываемых индуктирующим проводом. В основном все типы индукторов твч могут быть разделены на два вида: одновременного и непрерывно-последовательного нагрева. В первом случае площадь индуктирующего провода примерно равна площади нагреваемой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все её участки. При втором способе нагреваемое изделие перемещают относительно индуктирующего провода, последовательно нагревая участки поверхности изделия.
Станция теплообменная «Петра-0395 СТ»
Станция теплообменная обеспечивает контроль наличия протока воды по внутренним каналам охлаждения тиристорного преобразователя частоты.
Система водяного охлаждения установки поддерживает интенсивность охлаждения индукционного комплекса, контроль давления на входе каналов охлаждения преобразователя частоты «Петра», блок батарей печных конденсаторов, давление дистиллированной воды на выходе составляет 0,2 МПа.
Нерабочие режимы при эксплуатации ТПЧ возможны при превышении рабочих токов, недостаточном охлаждении установки или отсутствии протока воды в каналах охлаждения.
Для повышения надежности ТПЧ при возникновении неисправности в отдельных каналах системы водяного охлаждения применяются термодатчики теплообменной станции.
На рис. 6 показан вид теплообменной станции «Петра-0395» и габаритные размеры. Технические характеристики приведены в таблице 2.
Рис. 6. Вид теплообменной станции и габаритные размеры «Петра-0395»
Таблица 2. Технические характеристики теплообменной станции типа «Петра-0395» для тиристорных преобразователей частоты «Петра»
| Площадь поверхности теплообмена, м2 | Отводимые тепловые потери, не менее, кВт | Масса установки, не более, кг |
| 1,92 | 40 | 220 |
| 2,56 | 60 | 230 |
| 3,04 | 80 | 240 |
| 5,85 | 160 | 310 |
| 7,35 | 175 | 335 |
Примечание. Параметры оборудования могут отличаться от табличных значений.
Теплообменная станция «Петра-0395» (пластинчатый теплообменник) производится с двухконтурным охлаждением индукционного оборудования. Диаметр условного присоединенного патрубка — 1 дюйм.
Ввод питания ТС от однофазной сети — 220 В×50 Гц.
Каналы протока воды теплообменной станции — это коррозионно-стойкие шланги во внутреннем контуре. Дистиллированная вода циркулирует с помощью насоса объемом около 30 л «чистой» воды. Через теплообменник вода передает тепло во внешний контур технической воды.
При расходе технической воды не менее 3,74 м3/ч максимальная температура технической воды на входе не превышает +25 °С. Максимальная температура дистиллированной воды на входе должна составлять не более +45 °С [9].
На рис. 7 показана панель управления «Петра-0395».
Рис. 7. Панель дисплея управления теплообменной станции «Петра-0395»
Система управления теплообменной установки обеспечивает индикацию на панели, где отображены однофазная сеть питания насоса, кнопка «Пуск установки», кнопка «Стоп установки».
Индикация панели ТС отображает статус: (стоп/не готов), температуру воды для преобразователя частоты, внешней воды входа, перепад температуры в теплообменнике; проток внешней воды, уровень чистой воды теплообменника, состояние передней двери, задней двери; при аварии, отсутствии протока воды, ошибке устройства ТС «не готово»; воду сопротивления, качество технической воды.
Система управления теплообменной станции реализует следующие функции:
- контроль и цифровую индикацию температуры дистиллированной и технической воды;
- контроль в контуре протока технической воды;
- контроль уровня дистиллированной воды;
- контроль температуры в контуре дистиллированной воды;
- контроль температуры в контуре технической воды.
При выходе параметров за установленные пределы система управления теплообменной станции отключает индукционное нагревательное оборудование. Канал, по которому произошло отключение оборудования, запоминается и отображается на лицевой панели блока управления.
