Способ индукционного нагрева трубных заготовок

Способ индукционного нагрева трубных заготовок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„SU„,; 1050136

3сю Н 05 В 6/36

1 «««1 .1 р«

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3457839/24-07 (22) 17.03,82 (46) 23.10.83. Бюл. N 39 (72) Н;М.Гречко, Л.Л.Кочергин, А.Д.Алыкин, А.Г.Бурканов и А.Н.Кац (53) 621,365.511(088.8) (56) 1. Патент ФРГ М 1433784, кл. С 21 0 1/10, 1963.

2, Авторское свидетельство. СССР

У 831812, кл. С 21 О 1/42, 1978, (54) (57) СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК, при котором нагрев проводят током высокой час-. тоты, глубина проникновения которого соответствует требуемой глубине нагреваемого слоя, в три этапа, на первом из которых осуществляю предварительный нагрев при уцельной мощности 2.10 - 1 10 Вт/м до темпера" туры магнитных превращений, на втором выдерживают заготовки до выравнивания температуры по сечению, а на ,третьем этапе осуществляют высокотемпературный нагрев, о т л и ч а юшийся тем, что,с целью повышения равномерности нагрева заготовок с . различным поперечным сечением по длине, на втором этапе выдержку осуществляют в течение времени, составляющем 20-50/ длительности предвари.тельного нагрева, при этом удельиую мощность устанавливают на 5-103 пре" вышающей удельные тепловые потери с поверхности заготовок, а высокотемпературный нагрев осуществляют в течение времени, составляющем 3-5Ф дли- тельности предварительного нагрева, при этом удельную мощность устанав. ливают в 4-10 раз превышающей удельную мощность предварительного нагреBcI o

10501 36

Изобретение относится к электротермии, в частности к области индукционного нагрева под закалку разностенных труб. .Известен способ индукционного нагрева, при котором нагрев осуществляют в две стадии, разделенные между собой паузой для выравнивания температуры по сечению детали после осуществления первой стадии нагре- !О ва..

Нагрев на первой стадии.осущест" вляют при пониженном значении удельной мощности, передаваемой в деталь, при этом температура нагрева детали 15 этой стадии не превышает точку магнитных превращений. На второй стадии нагрев осуществляют при повышенных значениях удельной мощности, при этом .конечная температура нагрева на этой щ0 стадии определяется температурой закалки, 1 g.

К недостаткам способа,в случае его использования для нагрева разностенных труб, следует отнести невозможность получения равномерного по поперечному сечению трубы закаленного слоя и, как следствие, коробление. трубы в процессе закалки.. Это объяс-. няется тем, что к концу паузЫ, разделяющей две стадии нагрева и обеспечивающей выравнивание температуры . по поперечному сечению трубы после первой стадии, труба находится. при температуре,, ниже точки магнитных превращений, а следовательно, нагрев в начале второй стадии до температу" ры магнитных превращений относится к поверхностному типу. Именно это обстоятельство во избежание пере1

40 грева поверхности при прогреве на заданную глубину, не позволяет при-менить настолько большие удельные мощности, чтобы исключить перенос тепла за счет теплопроводности,т.е, исключить. влияние толщины стенки

45 трубы на распределение температуры и на ее среднюю величину. Эта зависимость обуславливает невозможность получения осесимметричного температурного поля в эакаливаемом слое после завершения второй стадии нагрева, т.е. невозможность получения равномерного закаленного слоя по поперечному сечению трубы и исключение коробления при закалке.

Наиболее близким к изобретению является способ индукционного нагрева

2 трубных заготовок, при котором нагрев проводят током высокой частоты, глубина проникновения которого соответствует требуемой глубине нагреваемого слоя, в три этапа, на первом из которых осуществляют предваритель-. ный нагрев при. удельной мощности

2 ° 10 - 1 ° 10 Вт/и до т емп ера туры магнитных превраЩений,на втором выдерживают заготовки до выравнива" ния температуры по сечению-,. а на третьем этапе осуществляют высокотемпературный нагрев 1 2 3. .К недостаткам известного способа нагрева, в случае его применения для закалки .разностенных труб на гЛубину, сравнимую с полутолщиной их онкой стенки, следует отнести невозможность получения равномерного закаленного слоя по поперечному сечению и,как следствие, коробление трубы .в процессе закалки., Это объясняется тем, что.при пред варительном нагреве труба находится при температуре, ниже точки магнитных превращений, .и, следовательно, независимо от частоты тока, глубина проникновения тока в трубу много меньше толщины .ее стенок, т.е. на

4 этом этайе прогрев трубы, осущест" вляется в основном за счет распространения тепла теплопровопностью.

При подобном механизме распространения тепла распределение температуры и ее средняя величина. зависят ., от толщины стенки трубы. Тонкостен ные участки трубы перегреваются по . сравнению с толстостенными, т.е. по окончании предварительного нагрева температурное поле. в трубе и в подлежащем закалке слое. асимметрично.При термостатировании происходит выравни- вание температуры по поперечному се- чению трубы, однако теплоперепад не снижается менее 50-100 С, т.е. после термостатирования температурыое поле в трубе и подпежащем закалке choe остается асимметричным. Высокотемпературный нагрев осуществляют при сохранении неизменным теплоперепада, полученного в результате тврмостатирования, т.е. по завершении этапа. высокотемпературного нагрева температурное поле в трубе и подлежащем за- калке слое остается асимметричным.

Целью йзобретения является not вышение равномерности нагрева заготовок с различным поперечным сечением по днине., /

3 " 1050136 4 . !!Ос1авленная цель достигается точек 12, лежащих на поверхности тем, что согласно способу индукци- 5 трубы 1 в местах утолщения ее стенонного нагрева трубных заготовок,. ки, достигнет температуры 4 магнитпри котором нагрев проводят током :, ных превращений,. температурами точек высокой частоты, глубина проникнове". g 13, лежащих на поверхности 5 трубы 1 ния .которого соответствует требуемой -в местах утоньшения ее стенки, до. глубине нагреваемого слоя, в три эта- стигнет температуры 4 магнитных па, на первом из которых осуществляют ..превращений несколько ранее и -к мопредварительный нагрев при удельной менту 11 окончания предварительного мощности 2 10 - 1 ; 10 нагрева точки 1 3 трубы 1 окажутся

5» . Ь 2 ратуры магHHTHblx превращений, на вто- перегреты до температуры 14. Пере.ром выдерживают заготовки.до выравни" грев точек 13 поверхности 5 трубы 1 вания температуры по сечению, а на несколько ограничивается тем, что . третьем этапе осуществляют вь1соко" . при достижении ими температуры 4 температурный нагрев, на .втором эта"., ts магнитных превращений удельная пе выдержку осуществляют в течение мощность 3, передаваемая в них, па- времени; составляющем 20-50 длитель- дает и рост температуры замедляется ности, предварительного нагрева, npH . (отрезок 15 кривой.). Точки 16 и !7 этом удельную мощность .Устанавлиеа" . трубы 1, находящиеся на расстоянии ют на 5-1ОФ превышающей удельные . 2О от поверхности 5 трубы 1, равном тепловые потери с поверхности загото- глубине 18 закаливаемого слоя к з .вок, а высокотемпературныи,нагрев .: моменту 11 окончания предваритель" осуществляют в течение времени, сос- - ного нагрева.будут иметь температур о, у :тавляющем .3-54 длительности предвари; 19 и 20, т.е..ниже температуры 4 тельного .нагрева, при этом удеЛьную . 25 магнитных превращений, При этом теммощность устанавливают в 4-10 Раз . пература-.l9 точки- 17 будет выше тем-. превышающей удельную мощность пред- . пературы 20..точки 16. варительного нагрева. При термостатирован с тировании; длитель,На фиг.1 представлен эскиз попе" ность которбго 21,, удельную мощречного сечения разностенной трубы; .ЗО ность, передаваемую:в трубу 1, умень: на фиг.2 - эпюра усредненной во ape" шают до значения 22, равного или мени удельной мощности, передаваемой .несколько превышакищего значение в трубу в процессе нагрева; на фиг. 3. " удельной мощности тепловых потерь с кривые роста температуры поверхности поверхности;5 -трубы 1 при т м т б ь при температуре тру ы в местах утолщения и утойьшения .4 магнитных превраще " П б ее стенок; на фиг.4 - кривые Роста выбор уделън " 22

ы. ор уделънои мощности 22 поз воля-, температуры трубы на глубине слоя . ет осуще в ет осуществить режим термостатирова.подлежащего закалке, в местах Утолще-,ния тр б 1 ния тру ы при температуре 4 и и ,ния . и утоньшения ее стенок. котором происхОдит выравнивание тем Способ осуществляется следующим : пературы.(-отрезки 23-26 кривых )яо образом. ее поперечному сечению. Таким образом, При предварителъном нагреве раз-,, 1к началУ высокотемпеРатУРного нагРеностенной трубы 1, длительность кото"- ва 27 труба 1 оказывается Равномерно рого, в трубу передается удельная нагретой до температуры 4 магнитных мощность 3. Благодаря ярко выражен- превращений. При этом глубина про ному поверхностному эффекту . (Трубв ни кновения тока в трубу 1 увеличи вапри предварительном нагреве прак- ется до ."горячей" глубины проникнове" тически все .время 2 аходится при ния, которая в. рассматриваемом слу- . температуре, ниже. температуры 4 . чае приблизительно равна глубине 18 магнитных превращений ), теплопере-. подлежащего закалке" слоя. При высодача .в теле трубы.l от ее поверх-. .- -5 котемпературном.нагреве удельную. ности 5 к внутренним слоям 6 осу- мощность, йередаваемуа в трубу 1, ществляется в основном путем тепло- увеличивают.,до значения 28, превышаю" проводности. При этом более тонкая: . щего значение удельной мощности 3 .стенка трубы нагревается быстрее . при предварительном нагреве в 4- (отрезки 7 и 8 кривых ), более тол И 10 раз. Подобная величина удельнОЙ стая - медленнее (отрезки 9 и 10, мощности. 28 и то, что "горячая" глукривых ). К моменту.. 1I окончания преД" бина проникновения тока в трубу 1 варительного нагрева температура приблизительно равна глубине 18 за10501 36

5 каливаемого слоя, позволит осуществить дальнейший нагрев трубы 1 в . режиме, практически исключающем перенос тепла теплопроводностью.

На этом этапе нагрева весь объем подлежащего закалке слоя нагревается одновременно (отрезки 29 кривых ) и достигает к моменту 30, т.е. по завершении процесса нагрева, температуры 31 закалки.

Таким образом, предлагаемый способ индукционного нагрева в конце высокотемпературного этапа нагрева обес.печивает осесимметричное температурное поле в закаливаемом слое трубы, а, следовательно, равномерный закаленный слой по ее поперечному сечению и уменьшение коробления после закалки.

Выбор величины удельной мощности . при термостатировании, превышающий на 5-103 величину удельных тепловых потерь с поверхности трубы при темпе" ратуре термостатирования, за время термостатирования, равное 20-503 вре- 25 мени предварительного нагрева трубы

- до температуры термостатирования,. обеспечивает выравнивание по попереч. ному сечению трубы, Выбор величины удельной мощности з0 при вйсокотемпературном нагреве, в 4-10 раз превышающей удельную мощность при предварительном нагреве, а также длительности высокотемпературного нагрева, составляющей 3-53 от

Ф длител ь ности предварительного нагреваа, обеспечи вают нагрев трубы на глубину равную "горячей" глубине проникновения тока и практически исключают дополнитель- 40 ный подогрев всего остального ..объема трубы за счет теплопровод.ности.

Увеличение удельной мощности при высокотемпературном нагреве менее, 45 чем в 4 раза, приводит к прогреву всего объема трубы, а, следовательно, к влиянию стенки трубы на глубину слоя, нагреваемого выше закалочной температуры.

Увеличение удельной мощности более,чем в 1О раз, . приводит к тому, wio длительность высокотемпературного нагрева оказывается настолько малой, что дозирование энергии при высокотемпературном нагреве оказывжтсл практически невозможным.

Для получения заданной глубины закаленного слоя нагрев ведут током частоты, при которой глубина проникновения тока в трубу, нагретую до точки магнитных превращений, равна требуемой глубине закаленного слоя. Это объясняется тем, что после этапа термостатирования труба прогревается до точки магнитных превращений равномерно по всему сечению,. а значит, учитывая то, что магнитная проницаемость трубы в этом случае равна единице, а удельное сопротивление постоянно по всему сечению трубы, можно считать глубину проникновения тока по периметру трубы постоянной.

Таким образом, на этапе высокотемпературного нагрева при резком увеличении удельной мощности происходит быстрый нагрев до закалочной температуры равномерного слоя, равного по толщине глубине проникновения тока в материал трубы при температуре магнитных превращений, что, в свою очередь, позволяет получить равномерный закаленный слой заданной глубины, Пример, Нагреву на частоте

70 кГц подвергали образцы труб из стали 40 с наружным диаметром 50 мм, диаметром отверстия 40 мм; максимальной толщиной стенки 6 мм, минималь-, ной толщиной стенки 4 мм, длиной

100 мм для закалки наружной поверхности образца на глубину 2,5-3 мм.

Нагрев осуществляли в цилиндрическом индукторе диаметром 60 мм и длиной

I20 мм. Контроль температуры на на- . ружной и внутренней поверхностях образца производили с помощью заче-. каненных термопар.

Предварительный нагрев во всех экспериментах проводили на мощности

11 кВт в течение 30 с. В конце предварительного нагрева температура самой горячей точки трубы (точки на наружной поверхности в месте утоньшения стенки ) составляла 780 С, температура самой холодной точки (точки на внутренней поверхности в месте утолщения стенки) - 740 С. Расчетная мощность тепловых потерь с поверхности образца 1,4 кВт.

Результаты экспериментов на частоте 70 кГц приведены в таблице.

10501 36

»

Этап"высокотемпературного нагрева

Этап термостатирования:

Эксперимен

Максимальнаяя глубина закаленного слоя,мм

Иинимапьная глубина закаленного слоя, .р! мм

Длительность, с

Мощность кВт

Мщность, кВт

Длительность, с

Температура наружной поверхности образца, <С

1 1,42 4 750 720

0,7

1,7

2 1 ° 47 6 760 750 44 0,9

2,3

3 1.5 10 760 . 760

4,1 5". 15 780 770

1 7 17 810 78045

1,2

110

3,2

1,8

112

3,3

», ба неравномерность: глубины закаленного слоя (разность максимальной и минимальной глубины закаленного:слоя) изменяется не более чем в 2 раза, Зо в то время как при нагреве за преде" лами этих значений неравномерность закаленного слоя резко возрастает, а значит, и увеличивается коробление трубы при закалке.

Из таблицы видно, что в экспериментах 1 и 5 неравномерность глубины закаленного слоя составляет 0,50,7 мм, что в 2,5-3,5 раза превышает неравномерность слоя внутри границ этих значений. В пределах предлагае мых значений (эксперимент 3 ) нерав". номерность глубины закапенного слоя изменяется не более чем в 2 раза по сравнению. с граничными значениями

На основании приведенных экспери" ментальных данных можно сделать вывод, что в пределах предлагаемых граничных значений параметров спосо åñà.

Таким образом, предлагаемый способ . ,позволяет повысить равномерность нагрева заготовок с различным попе»,речным сечением на длине.

Максимальная тем пература по сечению образца

Минимальная . температура по сече нию об-. разца, С

850,2,2

9FO 2,5

980 2,9

1150 3,4

1200 4,0

1Ю5П136

Т

Составитель О.Щедрина

Редактор О.Юрковецкая Техред М.Надь : - Корректор О.Тигор

Ю Ф ВВ В В Ю ° ЮВ ° В Заказ 8464/57 Тираж 845 Подписное

ВНИИПИ Гасударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб...д. 4/5 е а k йВ е ееееае филиал ППП "Патент",, г. Ужгород, ул. Проектная, 4