Индукционные нагреватели Автомобильная техника Службы фирмы РОБОТЕРМ
Индукционные нагреватели
Автомобильная техника
Службы фирмы РОБОТЕРМ

Время нагрева и температурный профиль

Равномерность нагрева является одним из главных критериев оценки качества нагрева в кузницах.На практике температура нагретого полуфабриката измеряется бесконтактно пирометром.Но температура поверхности мало говорит о качестве нагрева. Измерение температуры внутри полуфабриката затруднительно, поэтому лучше применить компьютерное моделирование, которое расчитывает весь временной процесс температурного профиля сердцевина-поверхность.

Под влиянием скин-эффекта тепло больше проявляется у поверхности детали и к центру распространяется за счёт теплопроводности материала. Глубина проникновения, в которой образуется больше всего тепла,зависит от частоты. Высокие частоты способствуют малой глубине проникновения и продляют необходимое время нагрева. Низкие частоты увеличивают глубину проникновения и сокращают необходимое время нагрева. Слишком низкие частоты способствуют лучшему проникновению, но снижают эффективность нагрева. Необходимо выбрать достаточно долгое время, чтобы сердцевина хорошо прогрелась. И наоборот слишком долгое время ведёт к низкой эффективности, большему окаливанию и подповерхностному перегреву.

Типичный процесс нагрева изображён на Рис.1. В начале нагрева магнитная сталь имеет очень низкую глубину проникновения и тонкий поверхностный слой очень быстро нагревается до температуры +800°C, при которой теряет магнитные свойства и глубина проникновения увеличивается. Далее следует медленный рост температуры поверхности. Электромагнитные волны проникают больше в глубину материала и много энергии потребляется на изменения кристаллической структуры. После преодоления фазовых изменений температура поверхности растёт быстрее. К концу нагрева значительно проявляются потери излучением.Поверхность нагревается медленнее и максимум температуры перемещается под поверхность детали.Температурный перепад сердцевина-поверхность снижается. По окончанию нагрева под влиянием охлаждения температурный максимум постепенно перемещается к сердцевине детали.

 

Рис. 1 - нагрев кругляка из магнитной стали, диаметр 80 mm
Рис. 1 - нагрев кругляка из магнитной стали, диаметр 80 mm

 


График нагрева на рис.2 ниже показывает, как время нагрева влияет на результирующее распределение температуры стального кругляка с диаметром 60 mm при нагреве поверхности до 1200°C. При коротких интервалах нагрева сердцевина более холодная, чем поверхность, при длинных интервалах нагрева бывает наоборот.Под влиянием тепловых потерь в виде теплового излучения, температурный максимум образуется под поверхностью. Передача нагретого полуфабриката к устройству формовки обычно длится несколько секунд. В это время поверхность быстро охлаждается. Пунктирные графики иллюстрируют температуру после 8 секунд естественного охлаждения.

Рис. 2 - температура на конце нагрева стального кругляка, диаметр 60 mm, f=2000 Hz
Рис. 2 - температура на конце нагрева стального кругляка, диаметр 60 mm, f=2000 Hz


Оптимальное время нагрева для формовки

Оптимальное время нагрева такое,при котором в конце нагрева поверхность на несколько десятков градусов горячее, чем сердцевина. По окончанию нагрева поверхность под влиянием излучения резко охлаждается и температурная разница сердцевина-поверхность может в течение несколько секунд развернуться в обратную сторону. Слишком короткое время нагрева способствует недостаточному прогреву сердцевины, чем повышает сопротивление деформации и износ штампа. На практике чаще встречается слишком долгое время нагрева,которое имеет несколько серьёзных недостатков:

1) Перегрев материала
Долгое время нагрева вместе с высокой целевой температурой повышает риск перегрева материала под поверхностью. Температура под поверхностью может быть на несколько десятков °C выше, чем показывает пирометр. При перегреве материала происходит локальное плавление на границах зерён материала, что безвозвратно ухудшает механические свойства (пластичность, твёрдость). Перегрев может так же произойти при формовке, когда может произойти дополнительное повышение температуры от деформации.

2) Окаливание
Долгое время нагрева способствует обезуглероживанию, подповерхностному окислению и повышенному образованию окалины. Образование окалины сопровождается потерей материала и энергии. Окалина способствует неточности размеров, загрязнению оборудования,снижению долговечности формующих и обрабатывающих инструментов. Окалина делает невозможным правильное измерение температуры пирометром, что ухудшает стабилизацию процесса нагрева. Окалина негативно влияет на долговечность индуктора. Повышает износ направляющих реек. Пыль от окалины проникает в микротрещины футеровки и ускоряет их увеличение, что ведёт к короткому замыканию.

3) Ухудшение эффективности
Тепловые потери пропорциональны четвертой степени термодинамической температуры поверхности и при нагревании до температуры ковки около 1200°С существенно влияют на общую эффективность нагрева. Чем дольше время нагрева, тем больше энергии излучается поверхностью. Чрезмерное время нагрева может снизить эффективность и на несколько десятков процентов.

4) Склеивание / сварка шлама
Нежелательная адгезия заготовок происходит из-за высокой температуры в сочетании с давлением со стороны механизма подачи. Чем дольше время нагрева, тем выше максимальная температура под поверхностью. Давление между заготовками в индукторе постепенно уменьшается с удалением от механизма подачи. Если время нагрева длительное, то высокие температуры достигаются уже в начале индуктора, где давление между заготовками самое высокое.

Рекомендуемое минимальное требуемое время нагрева кругляка из магнитной стали до температуры ковки около 1200°С приведено в таблице ниже. Для плоской стали время, необходимое для разогрева, примерно вдвое больше. Указанные времена были рассчитаны путем моделирования непрерывного нагрева с постоянной мощностью, когда в конце нагрева поверхность на 50°С горячее сердцевины. Удвоение этого времени можно считать приемлемым. В более длительные периоды времени целесообразно рассмотреть меры, которые могут сократить время нагрева: сократить время цикла, увеличить частоту, использовать индуктор с более короткой катушкой, использовать нагреватели с меньшей мощностью и меньшим индуктором.

В непрерывном одноступенчатом нагревателе с постоянным продольным распределением мощности время нагрева зависит от такта и длины заготовки по следующей зависимости:

 время нагрева

Если длина заготовки и такт определяются технологией формования, то требуемое время нагрева может быть достигнуто только изменением длины катушки. Для того, чтобы оптимизировать качество нагрева, ROBOTERM предлагает многоступенчатые нагреватели (рис. 4), индукторы для быстрого нагрева (рис. 5) и индукторы с укороченной катушкой (рис. 6). Многоступенчатые нагреватели имеют два или более индукторов с автономными источниками питания. Для этих нагревателей мощность может быть распределена произвольно вдоль линии нагрева. Таким образом, можно менять такт и при этом сохранять оптимальный конечный температурный профиль сердцевина-поверхность. При малых мощностях нагрев происходит только в последнем индукторе. При высоких мощностях первый индуктор греет на полную мощность, а остальные индукторы только поддерживают температуру поверхности, в то время как тепло распределяется до сердцевины.

На нагревателях с одним источником, популярных за свою простоту и низкую стоимость, могут быть использованы индукторы с укороченной катушкой и индукторы для быстрого нагрева. Преимуществом является быстрая замена индуктора, особенно на нагревателях с поперечно перемещаемыми индукторами, где замена может происходить полностью автоматически. Длина катушки может быть рассчитана на оптимальное время нагрева и требуемую мощность. Индукторы для быстрого нагрева имеют катушку с неравномерно разделенными витками. Наибольшая плотность витков находится в начале индуктора, что позволяет минимизировать необходимое время нагрева.

диаметрчастотавремя,секчастотавремя, секчастотавремя,сек
30 mm 3000 Hz 40 s 4000 Hz 44 s 6000 Hz 49 s
40 mm 2500 Hz 73 s 3000 Hz 77 s 5000 Hz 90 s
50 mm 1500 Hz 103 s 2500 Hz 120 s 4000 Hz 138 s
60 mm 1000 Hz 135 s 2000 Hz 167 s 3000 Hz 189 s
70 mm 1000 Hz 189 s 1500 Hz 215 s 2000 Hz 235 s
80 mm 800 Hz 188 s 1000 Hz 252 s 1500 Hz 286 s
90 mm 700 Hz 292 s 1000 Hz 325 s 1500 Hz 370 s
100 mm 700 Hz 365 s 1000 Hz 410 s 1500 Hz 460 s
120 mm 500 Hz 485 s 700 Hz 540 s 1000 Hz 600 s
140 mm 500 Hz 675 s 700 Hz 745 s 1000 Hz 820 s
160 mm 300 Hz 762 s 500 Hz 895 s 800 Hz 1020 s
200 mm 200 Hz 1100 s 300 Hz 1250 s 500 Hz 1440 s
300 mm 150 Hz 2380 s 300 Hz 2870 s 500 Hz 3200 s

Табл. 1 - Рекомендованное минимально необходимое время нагрева для кругляка из магнитной стали

 

Obr. 3 - Standardní induktor Obr. 4 - Dvojstupňový ohřev
Рис. 3 - Стандартный индуктор Рис. 4 - Двухступенчатый нагрев
Obr. 5 - Induktor pro rychloohřev Obr. 6 - Induktor se zkrácenou cívkou
Рис. 5 - Индуктор для быстрого нагрева Рис. 6 - Индуктор с укороченной катушкой

 

Справка:
[1] Rudnev, V.: Induction heating of steel billets: causes of billet sticking/fusing problem and its prevention, in heat processing 4, 2019, p. 57-60
[2] Rudnev, V.; Brown, D.; Van Tyne, Ch.; Clarke, K.: Intricacies for the successful induction heating of steels for modern forge shop. Proc. of the 19th Int'l Forging Congress, Chicago, IL, September 2008
[3] E. Rapoport, Y. Pleshivtseva, "Optimal Control of Induction Heating Processes", 2006, ISBN 9780849337543

Aктуальности

Оборудование для индукционного отжига

20.2.2020 Индукционный оборудование отжига сконструировано для тепловой обработки ... подробнее...

PF 2020

10.12.2019 Благодарим Вас за сотрудничество в 2019 году и желаем Вам больших успехов в работе и личной жизни в Hовом 2020 году. С Новым годом 2020 и Рождеством желает ROBOTERM Chotěboř! подробнее...

Мы посетили выставку в Дюссельдорфе

27.6.2019 В период с 25 по 29 июня 2019, по прошествии четырех лет, опять открылись ворота крупнейшего мирового события в области нагрева металлов для их дальнейшей переработки – The Bright World подробнее...

PF 2019

14.12.2018 Благодарим Вас за сотрудничество в 2018 году и желаем Вам больших успехов в работе и личной жизни в Hовом 2019 году. С Новым годом 2019 и Рождеством желает ROBOTERM Chotěboř! подробнее...

Среднечастотный индукционный нагреватель SOP 700/5-A130

23.4.2018 Индукционный нагреватель, поставленный фирме Řetězárna Česká Třebová s.r.o., предназначен для индукционного нагрева подробнее...

Кантователь палет VP 1600

14.3.2018 Кантователь палет VP 1600 предназначен для высыпания клапанных штоков из транспортной палеты. Оборудование можно использовать также для высыпания других предметов из подробнее...

links: MARTENZIT, ŠMERAL BRNO, KOMAP, Šroubárna Kyjov, ŠKODA AUTO, OSTROJ, VÍTKOVICE CYLINDERS, MSV Metal Studénka, Kovárna VIVA, ŽĎAS
made by Pavlíček.cz