Способ нагрева заготовок

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Сфвз Сфветскна Сфцнаектн ческий Ресвубаниъ /ф К АВТОРСКОМУ СВ ТИЛЬСТВУ(22) Заявлено 170779 (2) 2798018/22-02 (51)М Кл с присоединением заявки Нов(23) Приоритет -С 21 0 1/42 Государствеииый комитет СССР во делам изобретеинй и открытийДата опубликования описания 230581(54 ) СПОСОБ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК 10 Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при трехстадийном нагреве металла под горячую пластическую деформацию.Известен способ индукционного на-: грева металла с использованием токов двух частот. Двухчастотный нагрев предусматривает последовательный нагрев заготовок из Ферромагнитных материалов при двух частотах - промышленной - до 600-700 С и повышенной " до 1200-1300 оС С 1).Однако этот способ позволяет расширить область. использования токов промышленной частоты лишь 15 на заготовки диаметром менее 180 мм.Известен способ нагрева иэделий, включакций последовательный нагрев заготовок в трех зонах 23. 20Недостатком известного способа является большой расход энергии.Известен способ нагрева заготовок, ,вклвчаюший предварительный нагрев токами высокой частоты, термостатирование и высокотемпературный нагрев токами высокой частоты 3.Однако при нагреве заготовок (обычно цилиндрической форьы). током проьвааленной частоты (ТПЧ) максималь но достигаемые температуры нагрева определяются диаметром заготовок. Так, при диаметре загововок 50-60 мм максимальная температура нагрева составляет около 600 С, при 70-100 мм700-800 оС, при 100-130 мм - 800- 900 оС и только при диаметрах более 150 мм можно нагреть заготовки до температуры пластической деФормации. При нагреве ТПЧ чем меньше диаметр заготовки и чем ближе температуры заготовки к заданному верхнему пределу, тем ниже КПД установки ТПЧ,Максимальная скорость прогрева заготовок определяется теплофизическими свойствами металла и градиентом температуры между поверхностью и центром заготовки. Поскольку температура поверхности нф может преввааать определенной величитва, например для стали 1150-1250 оС, и поскольку при нагреве ТПЧ упомянутый градиент температуры незнаЧмтелен, постольку скорость нагрева ТПЧ относительно невелика и значительная часть тепловой энергии в этот период уйосится водой, охлаждакщей индуктор.Применение нагрева ТПЧ приводит к необходимости использования громоздких батарей .конденсаторов ТПЧ.Интенсивное окисление и обезугле роживанив металла, характерное для температуры нагрева вьаае 800-900 ОС, имеет место на двух (втором и третьем) этапах нагрева.Цель изобретения - создание температурного поля заданной форьы и5 профиля по сечению и длине заготовки, уменьшение глубины обезуглероженного слоя, сокращение окисления и расхода энергии при нагреве под горячую пластическую деформацию заготовок любого сечения, в том числе и полых, в широком диапазоне размеров, изготовленных как из магнитных, так и немагнитных металлов.Для достижения поставленной цели 15 предварительный нагрев ведут до750-800 ьС, тврмостатирование проводят до величины градиента температур между поверхностью и сердцевиной 50-100 С с сохранением температуры поверхности рО заготовки 800-850 фС, а высокотемпературный нагрев ведут при неизменном перепаде температуры по объему заготовки.Предварительный нагрев заготовок осуществляют током частоты 8-10 кГц, а высокотемпературный - током частоты, определяемой по формулеьЪъ-ъв оЗОаэгде О - диаметр цилиндрической заготовки или меньшая сторонасечения заготовки прямоугольчого профиля, иа. Э 5На Фиг. 1 изображен график, характеризующий изменение температуры поверхности и центра заготовки; наФиг. 2 - график зависимости времениобъемного нагрева заготовок различныхдиаметров.от частоты токар на Фиг,з - 40установка для осуществления предлагаемого способа,Способ осуществляется следующим обравом.Подлежащие нагреву заготовки 1с наклонного лотка 2 или какого-либодругого подакщего устройства толкателем 3 (механическим, пневматическим либо другого типа) подаютсяв зону предварительного нагрева, 5 рпредставляющую собой индуктор 4, питаемой током повышенной частоты(8-10 кГц) от источника питания 5,в качестве которого наиболее целесообфэно использовать либо машинный,либо тиристорный преобразовательчастоты тока. Длина индуктора 4 выбирается,минимальной, но кратной длинезаготовки, с тем, чтобы обеспечитьбыстрый нагрев поверхности и равномерное по длине заготовки распреде- бОление температуры. Величина подводимой к индуктору мощности и темп толкания заготовок задается вручнуюили автоматически так, что завремя нахождения заготовки 65 в ударной зоне поверхностный слойзаготовки прогревается до 750-800 С.На первом этапе нагрева поверхность заготовки нагревают токомповышенной частоты до определеннойтемпературы, не превышакщей температуру, при которой теряются магнитные свойства материала заготовок(с тем, чтобы глубина проникновениятока была минимальной и, чтобы принаименьших затратах энергии былобеспечен максимально возможный градиент температуры между центром и поверхностью заготовки), и температуру начала интенсивного окисленияи окалинообразовання.Для большинствачерных металловтемпература магнитных превращений, так называемая точка Кюри, составляет 740-780 С.Интенсивное окисление металла, нагреваемого без защитной атмосферы, начинаетая при температурах выше 850-900 С.Поэтому с учетом укаэанных ограничений на первом этапе нагрева поверхность заготовок нагревают до 750800 С,Толкателем 3 с установленным ранее темпом заготовки 1 периодическиподаются в индуктор 4, при этом нагретая в первой зоне заготовка перемещается в камеру б, являющуюся зоной термостатирования, Температуракамеры б поддерживается на уровне800-860 С либо нагревателем 7 сопротивления, либо другими средстваминагрева. По мере перемещения заготовок через зону термостатированияпроисходит выравнивание температуры по сечению заготовки при сохранении температуры ее поверхностина уровне, достигнутом взоне предварительного нагрева, или при некотором ее повьзаении в пределах рабочей температуры камеры б. Заготовки находятся в зоне термостатирования до тех пор, пока градиент температуры между поверхностью и центромзаготовки не снизится с несколькихсотен градусов Цельсия в началекамеры до 50-100 ОС в конце камеры.Расход энергии в зоне термостатирования определяется из условияподдержания постоянной температуры на поверхности заготовок, а длина камеры устанавливается, исходяиз условия достижения укаэанного градиента температуры по сечению заготовки, В этой зоне заготовка прогревается по сечению практически без повьыения температуры поверхности, чемобеспечивается мннимапьное окисление иобезуглероживание. Наличиебольшого градиента температуры междуцентром и поверхностью заготовки,вошецшей в зону термостатнрования,обеспечивает высокую начальную скорость нагрева заготовки. Возможноеповьааение температуры поверхностидо 800-850 С допустимо, так какпри этих температурах скорость ,окисления практически равна скорости окисления при 750-800 ОС, а начало интенсивного окисления отмечается при температурах выше 900 С.Поскольку температура поверхности заготовок в течение первых двух периодов нагрева не превышает 800-850 С, постольку окисление и обезуглероживание металла в эти периоды практически отсутствует.После выравнивания до заданной величины температуры по сечению заготовки, последняя подается в высокотемпературную зону, где подвергается воздействию токов такой частоты, при которой обеспечивается достижение необходимой температуры пластической деформации при неизменном перепаде температуры по объему заготовки.Заготовки проталкиваются в ин дуктор 8 (высокотемпературная зона), который питается от источника 9 с регулируемой частотой тока, например от тиристорного преобразователя частоты тока, Возможность изменения з 5 частоты индуктирующего тока позволяет устанавливать оптимальное соотношение между частотой тока и диаметром нагреваемых заготовок в соответствии с приведенной формулой. Величи- З 0 на подводимой к индуктору мощности и длина индуктора должны быть такими, чтобы к. выходу из индуктора заготовка была нагрета до температуры пластической деформации. Нагретая заготовка выталкивается на приводные ролики 10, которые извлекают ее из индуктора для передачи к деформирующему оборудованию.Нагрев заготовок в высокотемпературной зоне до заданной температуры 40 с наименьшими затратами времени и энергии осуществляется, как правило, при частоте тока, определяемой по Формуле45 Фгде д - диаметр цилиндрической заготовки или меньшая сторонасечения заготовки прямоуголв- я)ного профиля, мм,Это соотношение вытекает иээкспериментальных данных, полученныхпри определении зависимости временинагрева заготовок от частоты токапри постоянной мощности и заданном .(не более 50 СС) градиенте температуры по сечению заготовки,Предварительно нагретые до 800 Сзаготовки нагревают в индукторе от8009 С до 1200 О С. Получают графики 60зависимостей времени объемного нагрева заготовок различных диаметров отчастоты тока (фиг.2) с ярко выраженными экстремумами, которые соответ.ствуют оптимальным частотам тока при 65 индукционном нагреве стальных заготовок от 860 С до температуры пластической деформации (1200 С). Кривая, проведенная через экстремальные точки, соответствует оптимальному со" отношению между диаметром заготовки и частотой индуктирукщего тока, например, для нагрева заготовок два" метром 50 мм оптимальная частота то" ка составляет 1400-1600 Гц.При использовании в высокотемпературной зоне токов, частота которых определена по приведенному соотношению, нагрев происходит при высоком (0,7-0,8) КПД; Кроме того, при такой частоте тока к моменту окончания нагрева градиент температуры между поверхностью и центром заготовки сохраняется на уровне, достигнутом в зо" не термостатирования.Предлагаемюй способ нагрева металла под горячую пластическую деформа-. цию обеспечивает нагрев заготовок с более низким, по сравнению с достигаежюм в настоящее время, перепадом температур, что способствует повышению качества деталей, получаеьнх пластической деформацией, повышению стойкости и, следовательно, срока службы инструмента для осуществления пластической деформацииНагрев заготовок предлагаемым способом обеспечивает.снижение в 2-3 раза окисления и обезглевароживания, за счет чего может быть достигнуто уменьшение в 1,5-2 раза припусков на механическую обработку деталей, что выражается в зкономии металла. Кроме того, установки, осуществляющие нагрев по предлагаемому способу, обладают более высоким КПД,.что выражается в снижении расхода энергии, такие установки требуют меньшей производственной площади. Экономический эффект при использовании изобретения составляет около 10 тыс.руб на одну нагревательную установку производительностью 1-,1,5 т нагретого металла в час.Формула изобретенияСпособ нагрева заготовок, включающий предварительный нагрев токами высокой частоты, термостатирование и высокотемпературный нагрев токами высокой частоты, о т л и ч а ю щ и йс. я тем, что,с целью повыаения качества нагрева и уменьшения расхода энергии, предварительйый нагрев ведут до 75.0-800 ОС, термостатирование проводят до величины градиента температур междуповерхностью и сердцевиной 50-100 С с сохранением температуры поверхности заготовки 800-850 О С, высокотемпературный нагрев ведут при неизменном перепаде температуры по объему заготовки.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем что предварительный нагрев осуществляют током частоты.8-.10 кГц, а высокотемпературный - током частоты, определяемой по формуле 3 Ъ о 4Удайгде д - диаметр цилиндрической заготовки или меньшая сторона сечения заготовки прямоугольного профиля, мм . Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Шамов А.Н. и Водажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л., "Машино строение", 1974, с. 113.2. Авторское свидетельство СССР Р 367160, клС 21 О 9/00, 1973.3. Авторское свидетельство СССР 9 322374, кл. С 21 О 1/42. 1970.831812 фи Составителдактор И.Николайчук Техред Е. М. Демч аказ 3524 о Подписого комитета СССРний и открытий5,Раушская наб;,5 енто, г. Уж илиал ППП ул, Проектная,Тираж 618 НИИПИ Государствен по делам иэобрет 113035, Москва, Ж