Динамо-машины  Применение индукционного нагрева 

1 2 3 4 5 6 7 8 [ 9 ] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Глава III

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ

в КУЗНЕЧНОМ и ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

6. Нагрев заготовок при штамповке тракторных деталей

Применяемый индукционный нагрев металла под пластическую деформацию на штамповочных и ковочных прессах и машинах занимает в настоящее время одно из ведущих мест по сравнению с газом, мазутом и другими видами нагрева, а его удельный объем в электротермии также является определяющим. О масштабах работ по внедрению индукционного нагрева в кузнечном производстве свидетельствуют многие факты [И, 26].

Темпы роста объемов внедрения индукционного нагрева в кузнечном производстве при изготовлении трактора laquo;Кировец raquo; несколько выше, чем по стране в целом, а по суммарной мощности подстанций увеличились за 10 лет (1967-1977 гг.) с 1000 до 30 ООО кВт.

С учетом значительного роста выпуска тракторов К-701 в последующие пять лет предполагается увеличить мощности индукционного нагрева кузнечных заготовок примерно в два раза. Типовые энергетические режимы индукционных нагревателей прессового участка для штамповки деталей трактора laquo;Кировец raquo; представлены на стр. 32, а потребность нагревателей в технологической электроэнергии т. в. ч. и т. п. ч. под кузнечно-прессовое оборудование-в табл. 11. Для упрощения в таблицы не включены полностью перечень наименований штампуемых тракторных деталей и общее количество кузнечно-прессового и нагревательного оборудования. Высокий рост объемов внедрения средств индукционного нагрева вполне объясним существенными его преимуществами. Во-первых, это позволяет улучшить качество поковок и штамповок, снижает окалинообразование и обезуглероживание металла, увеличивает стойкость штамповой оснастки; во-вторых, обеспечивает возможность комплексной механизации и автоматизации процесса нагрева и пластической деформации, включая безокислительный нагрев и безоблойную штамповку. Значительное повышение производительности при уменьшении занимаемых площадей и, что особенно важно, коренное улучшение санитарно-гигиенических условий для кузнецов и нагревальщиков обеспечили высокую конкурентоспособность индукционного нагрева по сравнению с другими источниками энергии. Успех в этом деле подкрепляется и организационно-техническими мероприятиями. При выборе того или иного способа нагрева кузнечных заготовок необходимо поставить перед собой целый ряд вопросов и дать на них наиболее рациональные ответы. 52

Выбору способа нагрева Предшествует ознакомление с параметрами нагреваемой заготовки: маркой стали, ее химическим составом и физическими характеристиками. В первую очередь играют роль исходное состояние материала до начала нагрева, его особые свойства, если имеются, а также требования, предъявляемые к нагреву. Немаловажное значение имеет качество поверхности нагреваемой заготовки, особенно наличие ржавчины, масла, заусенцев н деформированных мест вдоль поверхности и среза. Как и для многих технологических процессов, нагреву под штамповку предшествует операция резки мерных заготовок и, следовательно, способ деления прутка, в частности резка или ломка, угол плоскости деления относительно оси и пр. влияют на качество нагрева и штамповки.

При пластической деформации исходные размеры всей заготовки и нагреваемой части определяют технологию: допуски для этих размеров по габаритным размерам и кривизне, а также номенклатура обрабатываемых изделий, особенно форма огибающей поверхности заготовки, подсказывают механизацию погрузочно-разгру-зочных и транспортных операций. Начальная и конечная температуры нагреваемой заготовки на входе и выходе индуктора должны быть уточнены условиями пространственного изменения температуры по сечению и вдоль заготовки с учетом термообрабатываемости металла. Максимально допустимые отклонения температуры в конце нагрева в аксиальном и радиальном направлениях могут дополняться требованиями к скорости ее нарастания по определенному закону и иными требованиями, предъявляемыми к измерению и регистрации, непрерывному или дискретному регулированию.

Производительность оборудования по данной технологии определяется поштучно и по массе за определенный нормативный промежуток времени (смена, час, минута, секунда). С учетом годового объема и сменности оборудования, а также максимального использования производительность нагревателя и его вспомогательных агрегатов не должна быть ниже производительности основного кузнечно-штамповочного оборудования. Совместная работа системы нагреватель -формовочная машина предполагает наличие связи между формовочной машиной и нагревателем не только по технологическим признакам, но и по такому важному компоненту, как способ передачи нагретой заготовки от нагревателя к формовочной машине.

Помимо ручной межагрегатной передачи нагретой заготовки степень механизации и автоматизации формовочной машины влияет на уровень механизации и автоматизации нагревательного устройства, предполагая их взаимную управляемость и регулирование (темпа, последовательности операций и т. п.). В данном случае возникает необходимость автоматизированного межоперационного управления машинами разного технологического класса, такое требование ранее к нагревателям не предъявлялось. Здесь может возникнуть потребность совместной работы одного нагревателя

на несколько формовочных машин или, наоборот, с возможностью образования единого конструктивного блока, например формовочного автоматического пресса с встроенным в штамповые вставки нагревательным индуктором. Непосредственное влияние на выбор конструкции оказывают наличие защитной атмосферы или взрывоопасной среды, транспортабельность, взаимозаменяемость узлов. Например, индукционный безокислительный нагрев заготовок в среде защитного газа определяет способ их загрузки из накопительного бункера, а принятая конструкция механизма перемещения в индукторе - возможность или отсутствие таковой встроить принятый тип накопительного загрузчика с имеющимся транспортером самого индуктора. Таким образом, помимо чисто технологических вопросов нагрева и формовки металла необходимо решать вопросы агрегатирования технологического процесса с определенной степенью его автоматизации и механизации.

Для индукционного нагрева в машиностроении помимо выбора схем, напряжений, частот, мощностей и других электротермических категорий необходим выбор систем комплексного технологического агрегатирования и управления этими системами с учетом предшествующей технологии. Рассмотрим, как решаются эти вопросы непосредственно при пластической деформации трактзр-ных деталей.

Нагрев под штамповку детален трактора К-701 предусмотрен для заготовок с широкой номенклатурой марок iiaifioBacMbix сталей (от углеродистой до конструкииоииой высоколегированной) с диаметром заготовок 20-220 мм и длиной 50-6000 мм. Типовая номенклатура штамповок трактора К-701 в полио.м объеме содержит более 100 наименовапнн деталей, но все же является статичной, так как отражает существующий уровень технологии на данном производственном этапе.

Если программа производства определяет количественные показатели штамповки, то изменения в технологии производства - переход от производства трактора К-700 к его модификации К-701 - привели к качественному изменению, т. е. к из.меиеиню как марок сталей, так и габаритных размеров заготовок штампуемых деталей. Эти качественные изменения необходимо учитывать при первоначальном выборе оборудования индукционного нагрева с возможностью его быстрой переналадки на другой типоразмер.

При отработке нагрева типовой номенклатуры штамповок с заданной программой выпуска, т. е. с запланированной производительностью нагревателя, должно выполняться техническое требование, а именно соответствие производительности основного и вспомогательного оборудования.

Выбор типа нагревателя может быть неоднозначным. Нагреватель, связанный с определенной программой выпуска изделий, ограничен номенклатурой обрабатываемых деталейа нагреватель, связанный с определенным типом формовочной машины, ограничен массовой производительностью машины. Ориентировка только 54

на один из этих критериев нежелательна. В первом случае выбранный тип нагревателя обеспечивает условия выполнения заданной программы выпуска по номенклатуре, но недостаточен по установленной мощности при видоизменении номенклатуры в связи с изменением к. п. д. системы индуктор-деталь и изменением ритма штамповки. По этой же причине нагреватель с заданной производительностью нагрева металла по тоннажу оказывается малопригодным при изменении номенклатуры штамповок. Установленная мощность нагревателя в данном случае окажется даже иедоиспользоваиной.

Согласовать эти два противоречивых требования можно только с учетом коэффициента металлоемкости штамповки и коэффициента возможно-допустимого видоизменения номенклатуры штампуемых деталей. В этом случае требуется уточнить установленную мощность нагревателя и необходимую для выполнения программу выпуска с учетом достигнутой на данном технологическом процессе удельной мощности, расходуемой на единицу готовой продукции.

Требования высокой производительности индукционных нагревателей и необходимость обеспечения достаточной унификации оборудования при плотно нагруженных производственных площадях определили для трактора К-700 выбор мощности нагревателей иа определеипуго годовую программу. Такой выбор нагревателен, сделанный по тоннажу без учета изменения номенклатуры деталей, является ограниченным и пе отвечает динамике производства. Представляется возможным при выборе параметров индукционного нагревателя пользоваться формулой, учитывающей динамику кузнечного производства,

P=KKNP, (6)

где Р -мощность индукционного нагревателя, кВт; =1,3-4--1,55 -коэффициент металлоемкости штамповки, учитывающий массу заготовки и готовой детали; /г = 1,1-н1,32 - коэффициент видоизменения номенклатуры изделий; iV-расчетная производительность нагревателя, требуемая для выполнения программы по номенклатуре штамповок, т/ч; Ру - удельный расход электроэнергии на нагрев 1 т металла по сети, кВт-ч/т.

В данной формуле при выборе коэффициентов fe и fe следует руководствоваться величинами обратного порядка, т. е. для = = 1,3 принимается оптимальной = 1,32. Формула получена из статистических многолетних наблюдений. Она отвечает условиям увеличения программы штамповок и изменения номенклатуры и позволяет произвести расчет мощностей при переходе с серийного производства тракторов К-700 на более мощный трактор К-701. Фактические данные для индукционных нагревателей, связанных с тем же прессовым оборудованием, что и для К-700, согласуются с расчетными данными. Более того, при резком изменении программы серийного производства удалось дополнительно загрузить нагреватели на штамповку 34 наименований деталей.

Выбор частоты электромагнитного поля индуктора для сквозного нагрева. Экономичность работы установки индукционного нагрева зависит от многих факторов, в том числе от частоты переменного тока индуктора.

Если для поверхностного нагрева частота определяет глубину нагретого слоя, его профиль и скорость нагрева, то для кузнечного нагрева, когда необходим сквозной равномерный нагрев всей заготовки, на первый план выдвигаются теплопроводность металла и геометрические соотношения глубины проникновения тока в металл и размеров заготовок. Длительность нагрева металла до температуры пластической деформации зависит о основном от мощности нагревателя, сечения заготовки и частоты электромагнитного поля [47]. Для нагрева заготовок любого сечения существует оптимальная частота тока, при которой скорость нагрева с учетом глубины проникновения тока в металл и его теплопроводности наибольшая.

Влияние частоты переменного тока определяется из уравнений: АР = 2.10-*/д/; (7)

АР= 1,2.10-Я/, (8)

где АР -количество теплоты, выделяющееся на 1 см поверхности металла, кВт/см; /д -сила тока, приходящаяся на полосу металла шириной 1 см, А/см; Яд -магнитная составляющая напряженности поля, А/м.

В этих уравнениях выражение I рц принято называть коэффициентом поглощения мощности. Он характеризует материал, в котором распространяется волна.

Для немагнитных материалов, у которых ц = 1 (медь, 7-железо, сталь, нагретая до температуры 800 С и выше, и др.), мощность можно вычислить в зависимости от интенсивности магнитного поля и частоты, принимая р, измеренное для заданной температуры.

На ферромагнитные материалы значительное воздействие оказывает явление гистерезиса, при котором образуются дополнительные потери в металле вследствие сильного изменения ц от интенсивности магнитного потока. Потери на гистерезис зависят не только от состава материала, но и от других физических факторов, и учесть их аналитически сложно.

Для каждой конкретной точки температурного состояния металла можно предположить, что р и -установившиеся величины, тогда уравнения (7) и (8) можно условно упростить:

APWl (9)

где k = 1,2-10- HI V9V-

Таким образом, количество теплоты, выделяющееся в металле за счет электромагнитного поля, зависит от интенсивности магнитного поля, физического состояния металла и прямо пропорцио-

нально корню квадратному из частоты переменного тока. Это выражение не учитывает конструктивных особенностей индуктора и глубины проникновения магнитного потока в металл, однако достаточно для оценки выбранной частоты тока при кузнечном нагреве с технологической точки зрения.

В Советском Союзе для индукционного нагрева в кузнечном производстве преимущественно используется шкала частот 50, 500, 1000, 2500 и 8000 Гц. Более высокие частоты в кузнечном нагреве применяются в основном для заготовок диаметром менее 16 мм. По имеющейся номенклатуре тракторных деталей каждая из этих частот могла бы быть использована для той или иной кузнечной заготовки. Однако для полной выделяющейся теплоты в металле частота 50 Гц в 7-12 раз менее эффективна остальной шкалы частот и используется для заготовок диаметром более 180 мм. Частота 8000 Гц не является оптимальной для основной номенклатуры кузнечных заготовок по глубине проникновения тока в металл. Кроме того, для крупногабаритных деталей в серийном производстве требуются большие мощности, тогда как мощные источники питания с частотой 8000 Гц отсутствуют.

Почти для всей номенклатуры тракторных деталей пригодны частоты 1000 и 2500 Гц, которые по эффективности отличаются всего на 10%. Учитывая более благоприятные условия передачи энергии в системе индуктор-деталь при частоте 2500 Гц, ее приняли основной в кузнечном производстве при выпуске трактора laquo;Кировец raquo;. Наличие единой частоты переменного тока на всех нагревателях имеет ценные эксплуатационные преимущества. Обслуживание таких нагревателей становится унифицированным по индукторам, конденсаторам, измерительной аппаратуре; парк запасных элементов и узлов сокращается, источники питания становятся едиными и занимают значительно меньшие производственные площади; уменьшаются удельные капитальные затраты и эксплуатационные расходы на тонну штамповок (поковок).

Частота 2500 Гц, единая для всех нагревателей, удобна в эксплуатационных условиях, так как упрощает обслуживание, обеспечивает взаимозаменяемость оборудования, но является критичной для наименьшего и наибольшего диаметров заготовок, используемых при нагреве. Дл.я мощных горизонтально-ковочных машин и прессов, гдеобрабатываются детали большого диаметра, требуется низкая частота, а для вальцераскатных и малых машин -более высокая. Казалось бы, целесообразно перейти на частоту 50 Гц для обслуживания машины, например, ГКМ-2000 или ГКМ-1250. Капитальные затраты на 1 кВт мощности в установках, работающих на токах промышленной частоты, ниже затрат при т. в. ч., они просты в обслуживании, но имеют свои недостатки. Создание и эксплуатация установок на т. п. ч. для нагрева металла под кузнечную обработку требуют строительства дополнительных трансформаторных подстанций, установки коммутирующего электрооборудования на большие токи, применения крупногабарит-