Способ управления поверхностным нагревом заготовок

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫМ НАГРЕВОМ ЗАГОГОВОК 1Изобретение относится к области управ,ления тепловыми процессами при нагреве заготовок путем передачи тепла с поверхностных слоев заготовки к центральным, например, при индукционном нагреве и может, бьггь использовано для ускорен 5 ного достижения заданной температуры с допустимой неравномерностью по толщине заготовки перед обработкой заготовки давлением. Специальные метопы управления мощностью нагрева в интервалах непосредственного нагрева и выравнивания температу позволяют сократить суммарное время нагрева заготовки до заданной температуры с заданной равномерностью по толщине заготовки. При нагреве заготовок с выделением тепла в ее поверхностных слоях температура боковой поверхности заготовки растет быстрее чем температура центра,15 поэтому требуется дополнительная фаза процесса нагрева заготовки с пониженной мощностью нагрева, в течение которой температуры по толщине заготовки выравниваются до заданной конечной техноло 20 гической температуры с заданным перепадом: В процессе выравнивания температур поверхностные слои заготовки, нагретые до этого выше заданной, температуры,отдают тепло центральным слоям, нагретым до этого ниже заданной температуры.В результате температура поверхности падает, а температура центра растет, чем и достигается требуемое выравнивание температур.Известен способ управления поверхностным нагревом заготовок, при котором нагрев ведут в два этапа, сначала при пол.ной мощности, а затем при мощности компенсирующей тепловые потери футеровкипечиТакой способ характеризуется большим временем полного цикла нагрев-выдержка, так как процесс выравнивания температур в нем затянут.3 738196 фИзвестен способ управления, при ко- вая Т(,), фиг. 1) ио условиямтором включают источник питания для физического состояния материала эанагрева заготовки, затем его выключают готовкй (оплавление, необратимые изменен выдерживают заготовку в зоне нагрева, ния и пр.), то максимально допустимаявыравнивая при этом температуру по се- мощность нагрева определяется максичению заготовки, во время нагрева и вы- мальнои мощностью нагревательно уста 5чйдержки контролируют температуру поверх- . ковки. Если же в процессе интерваланости и центра заготовки и при достиже- нагрева температура поверхности Тнии этими температурами конечной вели- достигнет максимально допустимой тем"чйны с заданным перепадом по сечению 10 пературы Т(кривая Т( ),( 1заготовки, выгружают заготовку. Не- фиг. 2), то после этого максимальнодостатком известного способа являетсядопустимая мощность нагрева определяет-увеличенноевремянагрева по сравне- ся уровнем, обеспечивающим поддержаниению с минимально возможным, так как максимально допустимой температУры пов процессе нагрева стабилизируется зна верхности, регулирование мощности начение средней температуры заготовки, а грева при этом производится либо уменьэто не обязательно по физическим свой- шение количества источника тепла (наприствам заготовки. Перегрев средней части мер, газа), либо изменением временизаготовки над конечной темперауурой поз- включения и отключения полной мощностиволил бы создать в заготовке за первый 20 нагревательной установки (например, ининтервал больший зацас тепла и затем дукционной), т.е. регулированием средсократить время выравнивания темпера- ней мощности нагрева.тур. В течение времени интервала нагреваЦелью изобретения является повышение Т, (фиг. 1, 2) температура поверхпроизводительности путем сокращения 25 ности Трастет быстрее температурывремени нагрева. Указанная цель дости- центра Тгается за счет того, что выгружают заготовку при равенстве контролируемых Если после достижения некоторых знатемператур центра и поверхности заго- чений температур Т и Т (фиг. 1) заПи Цтовки и достижениии ими при этом ниж кончить интервал нагрева и начать интер энего допустимого значения конечнои тем- вал выравнивания температур при уменьпературы. щенной мощности нагрева, то за счет отСущность иэобретенйя поясняется чер- дачи тепла от более нагретых слоев затежами, где на фиг. 1 изображены кри-готовки к менее нагретым температуравые изменения во времени темпеРатур по З 5 поверхности будет падать, а температуРа .толщине заготовки без достижения темпе- центра - расти, при этом падение темпеРатурой поверхности максимально допус- ратуры поверхности будет происходить итимого значения; на фиг. 2 - кривые из-за счет потерь тепла. Процесс выравнименеция во времени температур. вания температур приведет к такому сосповеРхности и центРа пРи достиже тоянию, когда температуры центра и понии температурой поверхности макверхности сравняются, при этом распресимально допустимого значения;на фиг. 3- конечное распределение тем- примет вид фиг, 3, где Я - радиус заператур по толщине заготовки; на фиг 4 готовки. ак видно, в некоторой точкезаданная совокупность темпеРатуР в вид 45 вблизи поверхос 1 и при г: г имеет местоЯики в системе кооРдинат контрощруе-максимум кривой распределения темпемых температур и текущая траектория ратур, что объясняется меньшей интеннагрева.сивностью охлаждения слоев заготовкиПроцесс нагрева ведут до заданной ,при г=г, по сравнению с поверхностью.температуры и два интервала управления, 50 Процесс нагрева слоев заготовки приВ первом интервале нагрева мощность Г=г приведен на фиг. 1 (кривая ,( )нагрева поддержйвают на максимально чтя Т, ( Тп но при выравниваниидопустимом уровйе, а температуру поверх- температур эти слои охлаждаются медности перегревают относительно заданной ценнее, чем поверхность, так как поверхтемпературы заготовки Т, Если в ностные слои целиком отдают свое теп 55сорпроцессе интервала нагрева температура ло к центру и в виде потерь, а слоиповерхности Тп не достигает максималь-при г=г не только отдают тепло, но ино допустимой температуры Т с(кри- частично получают его с поверхности.7381 511 опис,:цлсмом способе интервал выравнивания температур проходит приотключенной мощности нагрева, т.е, рост температуры центра (а достижение именно этой температуры заданного значения определяют длительность нагрева) происходит только за счет накопленногово время интервала нагрева запаса тепла в наружных слоях. Преимущества проведения интервала выравнивания при отклю ченной мощности нагрева заключается, во-первых, в ускорении достижения равенства температур поверхности и центра и, во- вторых, в независимости процесса выравнивания температур отвозмож ных помех йри изменении моШности нагрева (изменения расхода газа, напряжения в сети).Конец второго интервала управления и процесса нагрева в целом определяется 20 достижением температурой центра нижнегодопустимого значения, т.е, Тэ,ц -уо ф где Т - заданная температура; 69 щ,Зсндопустимый конечный период температур по толщине. Очевидно, что организацйя И окончания процесса управления при Т=Т= =Та -Е, будет наиболее целесообразнаяЗО оос точкй зрения ускорения нагрева, так как во-первых, поверхностные слои успели отдать весь запас тепла, т.е. Длительность 0 интервала нагрева была минимально возможной, а, во-вторых, снижение температуры поверхности до нижнего допустимого значения приводит и к снижению максимума конечного распределения температур 35 (фиг, 3), т.е. величина Т =Т=2 Я, ха рактеризующая неравномерность нагрева, минимально возможная. Естественно, чтоФ данный способ полезен лишь при условии , т,е. допустимый перепад+ Ещ 40при двухинтервальном управлении вообще достижим, Однако расчеты и эксперименты показали, что величина Е достаточно мала и в большинстве случаев технологические требования к равномерности 43 нагрева заготовок, перед обработкой давлением, вполне обеспечивается.Конечное значение контролируемых темнератур Ток= цк =эзар 2 оможет быть достигнуто в интервале выравнива ния с отключенной мощностью нагрева только в том случае, если. совокупность температур поверхности и центра в начале интервала выравнивания удовлетворяют условию такого одновременного55 достижения, Эта совокупность может быть рассчитана по известной конечной температуре и известных условиях протекания процесса выравнивания температур пли получена экспериментально.Такихвзаимосвязанных значений температур поверхности ицентра, при которых процесс выравнивания приводит к Тц, =Т= Тт-Е, бесчисленное множество, и заданная совокупность температур может быть представлена в системе координат Т- ц(фиг. 4) линий Ет,т ):О, которая может быть реализована техническими средствами.Когда текущая траектория нагрева(Тщ ц ,То,ноц , пересечет линиюзаданной совокупности температур Р(ЪТц 1)интервал нагрева закончен, а интервал выравнивания обязательно закончится в заданной конечной точке, так как процесс выравнивания проходит при измененных заранее известных условиях. В то же время прогнозировать начало интервала выравнивания и, следовательно, программировать процесс нагрева практически невозможно, так как переменные факторы: йачальнйе темйературы, - изменения мощности нагрева, могут существенно Изме- нить траекторию нагрева (пунктирные. кривые, фиг. 4). В предлагаемом способе эти переменные факторы приведут лишь к различным значениям температур начала интервала выравнивания, различным време- нем интервала нагрева 1 и выравнивания4., ,но общий процесс нагрева заготовки закончиФся в заданной точке. Суммарное время нагрева 1, +1, при этом ока:- жется меньше, чем у известных способов, так как за счет перегрева средних слоев заготовки (кривая Т (1 ), фиг. 1) в интервале нагрева создается повышенный запас тепла, и интервал выравнивания проходит быстрее.Реализация способа производится с помощью функционального блока, где задается найденная расчетом или экспериментально совокупность температур поверхности и центра в виде функции двух переменных.Реализация способа может .быть упрощена в случае, когда нагреватель имеет значительный запас мощности, что приводит к обязательному достижению температурой поверхности максимально допустимого значения Тс в процессе интервала нагрева (фиг 2). В этом случае при поддержании технологической мощности нагрева на максимально допустимом уровне, обеспечивающем стабилизацию температуры поверхности 1 м7 738196 8о ро кбнцв интервала нагрева, одне из поверхности и центра величины 3:38 Г контролируемых температур известна" эа- мвксймальная температура заготовки по ранее, а твк как заранее известнаи сечению составляла 342 С. Суммарное совокупность температур, начиная с ко- вРемя цикла нагрев-выдержка составило торой интервал выравнивания ведет к11 + 4,46 = 15,46 мин, Время нагрезадайюй точке, то известна и -темпера- ва по известному способу составило тура Т , при достижении которой ц т17,6 мин, причем допустимое значение дадо начинать интервал выравнйвания. по технологии отклонение температуры,Переменные начальные температуры по сечению заготовки составляло ф 10 С, и мощность нагрева приведут лишь к из Следовательно, использование предменению времени первого интервала уп- ложенного способа сократило время нв-, равлениян, а совокупность темпера- грева на 14%, турмок(и ц 4 (фнг.2) сохранится, Поэтому реализовать данный способ можно ф о р м у л а и э о б р е т е н и я без достаточно сложного функционального 1 блока по простой схеме совпадения тем- Способ уцрввления поверхностным напературы центра с заданной температурой гамм заготовок, преимущественно инно описанной выше совокупности. дукционным, при котором включают исПрактическая реализация описанного точняк питания для нагрева заготовки, способа была проведена на ийдукционной 2 О эатЖ ег 6 выйпючают и выдерживают запечи типа ИНпри 2 х-интерввльйом готовку в зоне нагрева, выравнивая управлении. при этом температуру по сечению эвгоНад заготовке диаметром 480 мм товки, во время нагрева и выдержки процесс нагрева вели до заданной конечной контролируют температуру поверхности и температуры 340 С. В первом интервале 2% центра заготовки при достижении этимио мощность была максимальной 2500 квт. температурами конечной величины с эвДопустимая величина отключенйя тем- данным перепадом по сечению заготовки, пературы составляла + 2 С.выгружают заготовку из эоны нагрева,В конце первого интервала температура о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с -пентра равнялась 282 С, а поверхности зр целью повышения производительности пу оС. темсоЩййения времени нагрева, выгруВо втором интервале источнйкпитания жают заготовку при равенстве кончролиотключался., руемых температур и достижении имиМомент окончании интервала выдержки при этом нижнего допустимого значения определяли по достижению температуры З конечной температуры., Тциг738196 Ью ннк Подписноего комитета СССи открытийаушская наб.,д. 4 2834/39 Тираж 885 ЦНИИПИ Государственн по д-.ам иеофетени 113035, Москва, Ж, к лиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 4 Составитель О. Турпак дактор В. Девятов Техред Л. Теслвк Корректор Г.