Устройство импульсного нагревас предварительным подогревом

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п 1853783(22) Заявлено 21.03,79 (21) 2739573/18-21с присоединением заявки Йо(51)М. Кл 3 Н 03 К 3/53 Н 05 В 9/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 07,0881 2) Авторизобретения П. М. Пшик вский ордена Ленина политехничесститут имени В.И. Ленина(54) УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМстиым б ение относитсяталлов электромбретение можетдля термическоости металлов.о устройство длагрева, состоящнденсаторной баэтой цепочкекоммутирующее Изобре нагрева м полем, Из пользован ки поверхИзвест ционного рузки и к параллель управляем во 1 . гнитн обраб инд е из ареи ключ наг а ено ройст2) Недостатком известного устройства является ограничение возможности его применения для поверхностного нагрева металлических заготовок импульсами тока под поверхностную закалку с большой скоростью самоохлакдения, обеспечивающей мелкозернистую структуру закаленного слоя так как из-за ограниченной мощности сети и токоограничивающего элемента уменьшается выделяемая в нагрузке мощность. В результате этого увеличивается время нагрева, что приводит к уходу тепла из заданного для нагрева поверхностного слоя в массу металла, Увеличивается глубина нагрева, что препятствует после окончания нагрева быстрому охлаждению заданного поверхностного слоя из-за того, что уже нагреты нижележащие слои по отношению кзаданному поверхностному слою.Нагрев нижележащих слоев может достигать величин, соизмеримых с те-,температурами фазовых превращений.Уменьшение скорости охлахдения после импульсного нагрева не позволяет получить поэтому мелкозернис 0 тую структуру.Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство импульсного нагрева, содержащее высоковольтный 5 источник питания переменного тока, к которому подключен выпрямитель и емкостной накопитель энергии, по крайней мере одну мостовуюцепь, противоположные плечи кото рой содержат частотозадающий конденсатор и управляемый коммутатор,в диагональ включено согласующееустройство, а вершины соединеныс емкостным накопителем энергии5 Недостатком этого устройстваявляется снижение его производитель.ности при получении мелкозернистойструктуры. Это обусловлено тем,что энергии, накопленной в емкост ном накопителе, не достаточно длязакалки более значительных площадей, Увеличение ие запасаемой энергии приводит к увеличению габаритов емкостного накопителя, а, следовательно, и установки.Целью настоящего изобретения является увеличение производительностиПоставленная цель достигается тем, что в устройстве импульсного нагрева с предварительным подогревом, содержащем высоковольтный источник питания переменного тока, к которому подключен выпрямитель и емкостной накопитель энергии, по крайней мере одну мостовую цепь, противополохные плечи которой содерхат по частотозадающему конденсатору и управляемому коммутатору, а в диагональ включено согласующее устройство, фбстовая цепь подключена к высоковольтному источнику питания переменного тока через размыкатель, емкостной накопитель энергии соединен с мостовой цепью .через разрядный управляемый коммутатор и параллельно мостовой цепи включен буферный конденсатор, параллельно которому включена индуктивность.За счет такого исполнения устройства заданный поверхностный слой металла предварительно нагревается за короткое время (десятые доли секунды) до температур, меньших, чем температуры Фазовых превращений (несколько сотен градусов Цельсия), При этом нижелехащие слои металла за счет теплопроводности также прогреваются. Однако благодаря тому, что заданный поверхностный слой нагревается незначительно, то и нижележащие слои имеют невысокую (порядка 100- 3004 С) температуру. После предварительного нагрева от мощного высоковольтного источника питания переменного тока следует импульсный нагрев (в течение не более 0,1 с) заданного поверхностного слоя за счет энергии, накопленной в емкостном накопителе, При этом до температуры закалки нагревается значительно большая поверхность металла.Для ограничения величины емкостного тока, а, следовательно, для улучшения условий работы источника питания переменного тока, параллельнб буферному конденсатору включена индуктивность.На Фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 - кривая серии импульсов тока, осуществляющей предварительный подогрев поверхности металла.Устройство содержит высоковольтный источник 1 питания переменного тока, который может быть выполнен, например, в виде мощной сети 220- 380 В с повышающим трансформатором. 5 1 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 1( источнику 1 подключен выпрямитель2 и емкостной накопитель энергии 3.Устройство также снабжено размыкателем 4 и по крайней мере одной мостовой цепью 5, которая через этотразмыкатель 4 соединена с высоковольтным источником 1 питания переменного тока. Противоположные плечимостовой цепи 5 содержат частотозадающий конденсатор б, управляемыйкоммутатор 7, частотозадащий конденсатор 8, управляегый коммутатор 9.В диагонали мостовой цепи 5 включенапервичная обмотка 10 согласующегоустройстваУстройство содержит также буферный конденсатор 11, подключенныйпараллельно мостовой цепи 5. Параллельно с буферным конденсатором 11включена катушка индуктивности 12.Емкостной накопитель энергии 3 соединен с мостовой цепью 5 через разрядный управляемый коммутатор 13,выполненный в виде разрядника,Емкости частотозадающих конденсаторов б и 8, которые равны междусобой, меньше или соизмеримы с емкостью буферного конденсатора 11.Емкость накопителя 3 значительнобольше емкости частотозадающихконденсаторов б и 8. Управляемыекоммутаторы 7 и 9 выполнены, например, в виде управляемых разрядников.Согласующее устройство выполнено,например, в.виде обычного понижающе 1 о импульсного трансформатора ссердечником. В случае, если установка снабжена несколькими, напримердвумя,мостовыгли цепями, согласующееустройство выполнено аналогично трансформатору в устройстве-прототипе.Устройство импульсного нагрева с предварительным подогревом работает следующим обраэом.При включении источника питания 1емкостной накопитель энергии 3 начинает заряхаться через выпрямитель 2, а конденсаторы б, 8, 11оказываются под переменным напряжением источника 1. Причем, мгновенное напряжение на частотозадающихконденсаторах б и 8 равно половиненапряжения на источнике питания 1.В момент срабатывания, например, управляемого коммутатора 9 частотозадающий конденсатор б разряжаетсяна первичную обмотку 10 согласующего устройства, обеспечивая тем самым нагрев поверхностного слоя нагреваемого металла. Выбором емкостичастотозадающего конденсатора бдобиваются частоты нагреваемого импульса тока порядка сотен килогерц.В процессе разряда конденсатора бчастотозадающий конденсатор 8 одновременно подзаряжается до напрякения, равного мгновенному напряжению на источнике 1 переменноготока. При этом подзаряд частотозадающего конденсатора 8 идет от буферного конденсатора 11, который в момент подзаряда является источником практически неограниченной мощности. После разряда конденсатора б и подзаряда конденсатора 8 в паузе между очередным срабатываниемоммутатора 7, которая обусловлеа восстановлением прочности управляемого коммутатора 9 и выбирается минимальной, происходит подзаряд от источника питания 1 буферного конденсатора 11. Срабатывание управляемого разрядника 7 приводит к разряду частотозадающего конденсатора 8 на первичную обмотку 10 согласующего устройства. В процессе разряда частотозадающего конденсатора 8 одновременно происходит заряд частотозадающего конденсатора б до напряжения, равного мгновенному напряжению на источнике питания 1. Заряд этого конденсатора идет от буферного конденсатора 11. После разряда конденсатора 8 и заряда конденсатора б в паузе между очередным срабатыванием коммутатора , 9 происходит подзаряд буферного конденсатора 11 от источника питания переменного тока 1. Затем снова срабатывает управляемый коммутатор 9 и происходит разряд частотозадающего конденсатора б и заряд частотоэадающего конденсатора 8. После этого происходит срабатывание коммутатора 7 и т.д. до тех пор, пока поверхность нагреваемого металла достигнет требуемой предварительной температуры нагрева. Такой нагрев металлической поверхности идет серией высокочастотных затухающих импульсов тока от разрядов частотоэадающих конденсаторов 6, 8. Огибающая максимальных амплитуд этих импульсов имеет форму синусоиды тока промышленной частоты (фиг.2). В результате такой работы устройства поверхность металла подогревается до такой температуры, при которой отсутствуют еще фазовые превращения в структуре поверхностного слоя. Энергия для нагрева поступает от источника питания переменного тока 1, При этом, поскольку энергия выделяется мощными высокочастотными импульсами эа счет разрядов конденсаторов, нагревается тонкий поверхностный слой за короткое время десятые доли секунды ) на более значительной площади. Прогреваются. конечно, за счет теплопроводностй и слои, лежащие ниже необходимого для термообработки поверхностного слоя. Однако, благодаря небольшой температуре нагрева поверхности, нижележащие слои прогреваются незначительно. Например, если слой необходимый для термообработки,прогревается до 350-400 ОС, то нижележащие слои нагреваются до 2002500 С.После предварительного скоростного подогрева заданного для термообработки поверхностного слоя металла от источника питания 1 высокочастотными импульсами токаразмыкатель 4 размыкает электричес- .кую цепь. Срабатывает управляемыйразрядный коммутатор 13. При этомконденсаторы б и 8 заряжаются отемкостного накопителя 3. Поочередное срабатывание управляемых коммутаторов 7 и 9 приводит к поочередному разряду одного частотоза дающего конденсатора и заряду дру"гого частотозадающего конденсатора,Нагрев идет за счет выделения энергии, накопленной в емкостном накопителе 3, мощными высокочастотными 3) импульсами тока за счет разрядовчастотозадающих конденсаторов. Достижение требуемой температуры в поверхностном слое для последующейзакалки его идет за время менее0,1 с, т.е. за время, в которое отсутствует теплоотвод. После импульсного нагрева поверхностный слой быстро охлаждается за время порядка0,01 с до температуры 600 ОС и менее за счет теплоотвода в нижележащие слои металла. Такой режим обработки способствует, как известно,образованию в поверхностном слоемелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение механических свойств З 5 металла.В зависимости от требуемой площади закалки работа и конструкцияустройства могут меняться, Например, если необходимо получить мел козернистую структуру на сравнительно небольшой площади, то вначалепроизводят заряд накопителя 3, азатем включение разыскателя 4, т.е.это необходимо потому, что нагрев 45 такой поверхности от источника Тидет настолько быстро, что накопитель 3 не успевает зарядиться завремя нагрева. При этом работа источника питания 1 облегчена, поскольку резонансное сопротивление контура, образованного буферным конденсатором 11 и катушкой индуктивности 12, ограничивает емкостныйток от включения параллельно источнику 1 буферного конденсатора 11.,Чтобы произвести закалку болеезначительных площадей, для ускорениявыделения энергии в процессе нагрева возможно включение нескольких,например, двух, мостовых цепей. ТогЩ да согласующее устройство будет выполнено аналогично исполнению трансформатора в устройстве-прототипе.Формула изобретенияУстройство импульсного нагрева с 65 предварительным подогревом, сокаэ 5 5/32 Тираж 988 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Иосква, Ж, Подписноеомитета СССРоткрытийушская наб ,д.4/5 илиал ППП "Патент", г, ужгород, ул.Проектная,держащее высоковольтный источникпитания переменного тока, к которому подключен выпрямитель и емкостной накопитель энергии, по крайней мере одну мостовую цепь, противоположные плечи которой содержат почастотоэадающему конденсатору и управляемому коммутатору, а в диагональ включено согласующее устройство, отличающееся тем,что, с целью увеличения производительности, мостовая цепь подключена к высоковольтному источникупитания переменного тока через раз,мыкатель, емкостной накопитель энергии соединен с мостовой цепью черезразрядный управляемый коммутатор ипараллельно мостовой цепи включенбуферный конденсатор, параллельнокоторому включена индуктивность. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Заявка Франции Р 2296959,кл. Н 05 В 9/00, опублик. 03,09,70,2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2499772/18-21,кл. Н 03 К 3/53, 16.06.77.