CC BY
10
24
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
УДК 621. 78. 012. 5
СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛА
Ю.О. [Шартышева, И.В. Захаров
Павлодарский государственный университет им. С Торайгырова
Значительно интенсифицировать процесс индукционного нагрева металлической загрузки под последующую механическую деформацию (ковку, штамповку и т.д.) возможно при питании индуктора напряжением полигармонического состава [1].
Кроме того, при питании индуктора пблигармоническим напряжением с возрастающими с ростом частоты амплитудами гармоник перепад температуры между поверхностью и центром становится меньше, что особенно важно для индукционного нагрева, проводимого с большой скоростью.
При подаче синусоидального напряжения высокой частоты на вход однофазного преобразователя формы напряжения 1 (рисунок 1) на выходе его формируется однофазное периодическое несинусоидальное напряжение u(t) с составом рабочих гармоник, максимально приближенных к заданному, состоящему из суммы рабочих гармоник U^-sin к-ш t, с возрастающими с ростом частоты амплитудами
U(t) = Umi -sin CDi't + Um4 "Sin ffl4"t + Um7 "Sin CÜ7't, (1)
где IK - амплитуда напряжения к-той гармоники; coj - угловая частота первой гармоники; ш k - угловая частота k-той гармоники (® k = кш
Рисунок 1 - Устройство индукционного нагрева: 1 - преобразователь формы напряжения; 2 - индуктор; 3 - заготовка
При замыкании контактов КМ1 несинусоидальное напряжение и© подается на индуктор 2, в котором расположена заготовка 3. Под действием каждой из составляющих рабочих гармоник напряжения в индукторе протекает ток и образуется электромагнитное поле, которое в зависимости от частоты проникает в заготовку 3 на различную глубину (рисунок 2), определяемую следующим выражением для гармоники частотой
где относительная магнитная проницаемость материала заготовки; и0- магнитная постоянная;
у - удельная электрическая проводимость материала заготовки.
Рисунок 2 - Распределение средней мощности потребления энергии по энергетическим зонам заготовки
А,
'к
(2)
26
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
Электромагнитное поле, созданное напряжением самой низкой частоты и, проникает на всю глубину заготовки д, (при соответствующем подборе диаметра заготовки и д,), поле других частот щ4 и проникает на меньшую глубину, соответственно на д, и д7. Вследствие различной глубины проникновения энергии электромагнитных волн разной частоты образуются при трех частотах три энергетические зоны нагрева I, II, III. В зоне I индуцируется энергия самой низкой частоты из рассматриваемых частот ш,, которая нагревает металл этой зоны за счет преобразования электромагнитной энергии в тепловую. В зону II проникает энергия электромагнитного поля двух частот и <»4. В зону III проходит энергия электромагнитного поля всех частот рабочих гармоник напряжения, т.е. cüi, а>4 и ©у, и преобразуется в тепловую энергию этой зоны. Так как сопротивление переменному току с понижением частоты уменьшается [2], то для ограничения чрезмерного возрастания токов низкой частоты амплитуды напряжения рабочих гармоник приняты возрастающими с ростом частоты.
На рисунке 2 показано распределение активной мощности при нагреве по зонам. Перепад температуры в процессе нагрева между внешними и внутренними слоями в предлагаемом способе меньше. Это объясняется тем, что максимальная температура внешних слоев остается той же, что и в известном способе, но температура внутренних слоев в предлагаемом способе выше, так как во внутренние слои, в том числе и центральные, поступает электромагнитная энергия от рабочих гармоник напряжения частотой и Ш4, которая преобразуется в тепловую энергию. Температура внутренних слоев при этом поднимается. Наибольшее потребление электрической энергии имеет зона Ш, затем идет зона П и, соответственно, наименьшее потребление имеет зона I. Повышение производительности индуктора в новом способе достигается за счет сокращения времени нагрева заготовок до температуры точки Кюри, а за зоной магнитных превращений нагрев ведется известным способом на одной частоте сети. При этом контакты КМ1 (рисунок 1) размыкаются, а контакты КМ2 замыкаются. Индуктор отключается от напряжения преобразователя и подключается к напряжению сети. При подогреве прокатных валков нагрев их ведется до температуры ниже точки Кюри, поэтому в этом случае используется только режим холодного нагрева и переключение индуктора на напряжение
сети не требуется. При достижении требуемой температуры валков индуктор отключается от преобразователя.
Покажем на примере степень интенсификации индукционного нагрева при использовании данного способа. Для этого проведем расчет активной мощности, выделяющейся в нагреваемой цилиндрической загрузке при питании ее полигармоническим и моногармоническим напряжением.
Расчет проведем по методике, изложенной в [1] для нижеследующих исходных данных: диаметр заготовки <10 = 0,15 м; длина заготовки Ь = 0,45 м; материал заготовки - сталь 45; угловая частота спектра гармоник полигармонического напряжения: =44,88 с-1; со4 = 4 1 = 179,42 с-1; ю7 = 7 о, = 314,16 с"1; напряженность магнитного поля гармоник на поверхности заготовки: Нте1 = 82024 А/м; Нте4 = 133761 А/м; Нте7 = 167702 А/м.
Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Напряжение Определяемая величина
п Ди м Д«, м Ау, и а' а" а Ом Яг, Ом Ль Ом
Полигармоническое 10,395 0,0753 0,051 0,0454 2,213 1,638 2,753 8,278-10"6 1,342-Ю"4 2,574-Ю"5
Моногармоническое 10,395 - - 0,05 2,213 1,638 2,753 - - 2,158-Ю"5
Напряжение Определяемая величина
Рн, Вт Рзь Вт Вт Рзь Вт Вт Р37, Вт Р., Вт Р», Вт Рш. Вт Р, Вт
Полигармоническое 26,53 134,46 11,71 3487,8 10698,5 16230,: 26,53 144,2 30416,6 30587,3
Моногармоническое 25844,43 25844,4
Из таблицы видно, что при одинаковой в обоих вариантах напряженности магнитного поля на поверхности загрузки, мощность, выделившаяся в загрузке при питании индуктора полигармоническим напряжением на я 18 % больше, чем при питании индуктора моногармоническим напряжением, что позволяет интенсифицировать процесс индукционного нагрева и сократить его время.
ЛИТЕРАТУРА
1 Долматов Н.В. Ферромагнитный стальной цилиндр в полигармоническом магнитном поле // Электричество. - 1996, № 1. - С. 68-73.
2 Нейман, Л.Р., Демирчян, К.С. Теоретические основы электротехники. Т. I, П. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 416, 535 с.
28
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
Туйшдеме
Авторлар металлдарды индуктивтг цыздырудыц интенсификация edicmepin накгтырац сипаттаган
The authors describe in détaxa metJwd of intensification induction heating of metal.
