Способ индукционного нагрева трубных заготовок

(56) 1. Патент ФРкл, С 21 О 1/10,2, Авторское с8 ф 831812, кл. С 2 ц авниюл. Ю 39Л,Л,Коцерурканов и088 Я)Г И 143371963.видетель1 О 1/42,ин, А,Н 4 во. СС 1978. с ДУКЦИОННОГО НАГРЕОК, при котором ком высокой час-. икновения котороребуемой глубине .в три этапа, на осуществляю пред- в при урельной мощ-Вт/м до темпера" вращений, на вто(54)(57) спОсОБ ин ВА ТРУБНЬЗХ ЗАГОТОВ нагрев проводят то тотц, глубина прон го соответствует т нагреваемого слоя первом из которых варительный нагре ности 2 10- 1 10 туры магнитных пре ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ ром выдерживают заготовки до в р вания температуры по сечению, а на .третьем этапе осуществляют высоко" температурный нагрев, о т л и ч а ющ и й с я тем, цто,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 тецение времени, составляющем 3-5 Ф дли" тельности предварительного нагрева, при этом удельную мощность устанав. ливают в 4-10 раз превышающей удельную мощность предварительного нагрева о1050136 Изобретение относится к электротермии, в частности к области индукционного нагрева под закалку разностенных труб,.Известен способ индукционногонагрева, при котором нагрев осуществляют в две стадии, разделенныемежДУ собой паузой для выравниваниятемпературы по сечению детали послеосуществления первой стадии нагреваНагрев на первой стадии.осущест"вляют при пониженном значении удельноймощности, передаваемой в деталь,при этом температура нагрева детали 15этой стадии не превышает точку магнитных превращений. На второй стадиинагрев осуществляют при повышенныхзначениях удельной мощности, при этом.конечная температура нагрева на этой 20стадии определяется температурой закалки, 1 .К недостаткам способа,в случае егоиспользования для нагрева разностенных труб, следует отнести невозможность получения равномерного по поперечному сечению трубы закаленногослоя 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 послепервой стадии,труба находится, притемпературе ниже точки магнитныхпревращений, а следовательно, нагревв начале второй стадии до температу"ры магнитных превращений относитсяк поверхностному типу. Именно этообстоятельство во избежание пере 140грева поверхности при прогреве назаданную глубину, не позволяет при-.менить настолько большие удельныемощности, цтобы исключить переностепла за счет теплопроводности,т.е,исключить. влияние толщины стенки45трубы на распределение температурыи на ее среднюю величину, Эта зависимость обуславливает невозможность получения осесимметричноготемпературного поля в эакаливаемомслое после завершения второй стадиинагрева, т,е. невозможность получения равномерного закаленного слояпо поперечному сечению трубы и исключение коробления при закалке.Наиболее близким к изобретению является способ индукционного нагрева 2трубных заготовок, при котором нагрев проводят током высокой частоты,глубина проникновения которого соответствует требуемой глубине нагреваемого слоя, в три этапа, на первомиз которых осуществляют предваритель-.ный нагрев при. удельной мощности210.- 1 1 О Вт/м до температурымагнитных превраЩений,на второмвыдерживают заготовки до выравнива"ния температуры по сечению,. а натретьем этапе осуществляют высокотемпературный нагрев 23.К недостаткам известного способанагрева, в случае его применениядля закалки,разностенных труб нагЛубину, сравнимую с полутолщинойих онкой стенки, следует отнестиневозможность получения равномерно-.го закаленного слоя по поперечномусечению и,как следствие, короблениетрубы .в процессе закалкиЭто объясняется тем, что при предварительном нагреве труба находитсяпри температуре, ниже точки магнитныхпревращенийи, следовательно,независимо от частоты тока, глубинапроникновения тока в трубу многоменьше толщины .ее стенок, т,е. наФэтом этайе прогрев трубы, осущест"вляется в основном за счет распространения тепла теплопровопностью.При подобном механизме распространения тепла распределение темпера"туры и ее средняя величина зависят,, от толщины стенки трубы. Тонкостенные участки трубы перегреваются по .сравнению с толстостенными, т.е. поокончании предварительного нагреватемпературное поле. в трубе и в подлежащем закалке слое. асимметрично.Притермостатировании происходит выравнивание температуры по поперечному се-чению трубы, однако теплоперепад неснижается менее 50-100 С, т.е, после термостатирования температурыое полев трубе и подпежащем закалке сбое остается асимметричным. Высокотемпературный нагревосуществляют при со" хранении 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 по вышение равномерности нагрева заготовок с различным поперечным сечениемпо длине.," 1050136 4 .ос 1 авленная цель достигаетсяточек 12, лежащих на поверхноститем, что согласно способу индукци трубы 1 в местах утолщения ее стенонного нагрева трубных заготовок,. ки, достигнет температуры 4 магнитпри котором нагрев проводят током . . ных превращений температура точеквысокой частоты, глубина проникнове", 5 13, лежащих на поверхности 5 трубы 1ния .которого соответствует требуемой в местах утоньшения ее стенки, доглубине нагреваемого слоя, в три эта- стигнет температуры 4 магнитныхпа, на первом из которых осуществляют .превращений несколько ранее и к мопредварительный нагрев при удельной менту 11 окончания предварительногомощности 2 ф 10 - 1 10 Вт/и дотемпе; 10 нагрева точки 13 трубы 1 окажутсяь гратуры магнитных 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 нанесколько ограничивается тем, цто. третьем этапе осуществляют вь 1 соко" ,при достижении ими температуры 4температурный нагрев, на.втором эта".,15 магнитных превращений удельнаяпе выдержку осуществляют в тецение мощность 3., передаваемая в них, павремени; составляющем 20-501 длитель- дает и рост температуры замедляетсяности, предварительного нагрева, прМ . (отрезок 15 кривой.3, Точки 16 и 7этом удельную мощность устанавлива", трубы 1, находящиеся на расстоянииют на 5-10 превышающей удельные . 2 О от поверхности 5 трубы 1, равномтепловые потери с поверхности загото- глубине 18 закаливаемого слоя кмЪ:тавляющем,3-54 длительности предвариг 19 и 20,т.ениже температуры 4тельного .нагрева, при этом удеЛьную; 25 магнитных превращений, При этом теммощность устанавливают в 4-10 раз. пература. 19 точки 17 будет выше тем-,превышающей удельнуюмощность пред" . пературы 20.,точки 16.варительного нагрева, При термостатированс тировании; длитель,- На фиг,1 представлен эскиз попе" ность которого 21 удельную мощрецного сечения разностенной трубы; .ЗО ность, передаваемую:в трубу 1, умень: на фиг,2 - эпюра усредненной.во вре" шают до значения 22, равного илимени удельной мощности, передаваемой.несколько превьаающего значениев трубу в процессе нагрева; на фиг.3. " удельной мощности тепловых потерь скривые роста температуры поверхности поверхности;5 .трубы 1 при т мт бь при температуретру ы в местах утолщения и утойьшения 4 магнитныхпревраще " П бее стенок; на фиг.4. - кривые Роста выбор уделън . 22ы.ор уделънои мощности 22 позволя",температуры трубы на глубине слоя . ет осуще в.а ет осуществить режим термостатироваподлежащего закалке, в местах утолще-, ,ния тр б 1,ния тру ы при температуре 4 и иния и утоньшения.ее стенок . , , Р . р "Ф "ркотором происходит выравнивание темСпособ осуществляется следующим пературы.(.отрезки 23-26 кривых )яообразом. ее поперечному сечению, Таким образом,При предварительном нагреве раз-.1 к началу высокотемпературного нагреностенной трубы 1, длительность кото" ва 27 труба 1 оказывается равномерноРого , в трубу передается удельная нагретой до температуры 4 магнитныхмощность 3. Благодря ярко выражен- превращений, При этомглубина проному поверхностному эффекту (труба5 никновения тока в трубу 1 увелицивапри предварительном нагреве прак-ется до ."горячей" глубины проникнове"тически .все время 2 находится при ния, которая в, рассматриваемом слу- .температуре, ниже, температуры 4чае приблизительно равна глубине 18магнитных превращений ), теплопере- подлежащего .закалке слоя. При высодаца .в теле трубы.1 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 3стенка трубы нагревается быстрее . при предварительном нагреве в 4-(отрезки 7:и 8 кривых ), более тол- И 1 О раз. Подобная величина удельнойстая - медленнее (отрезки 9 и 10 ,мощности. 28 ито, что "горячая" глукривых ), К моменту 11 окончания пРеД" бина проникновения тока в трубу 1варительного нагрева температураприблизительно равна глубине 18 за1050136 20 5каливаемого слоя, позволит осуществить дальнейший нагрев трубы 1 в. режиме, практически исключающемперенос тепла теплопроводностью.На этом этапе нагрева весь объем подлежащего закалке слоя нагреваетсяодновременно отрезки 29 кривых )и достигает к моменту 30, т.е. позавершении процесса нагрева, темпе ратуры 31 закалки.Таким образом, предлагаемый способиндукционного нагрева в конце высокотемпературного этапа нагрева обес.печивает осесимметричное температурное поле в закаливаемом слое трубы, 15а, следовательно, равномерный закаленный слой по ее поперечному сечениюи уменьшение коробления после закалки.Выбор величины удельной мощностипри термостатировании, превышающийна 5-103 величину удельных тепловыхпотерь с поверхности трубы при темпе"ратуре термостатирования, за времятермостатирования, равное 20-50 времени предварительного нагрева трубыдо температуры термостатирования,.обеспечивает выравнивание по попереч. ному сечению трубы,Выбор величины удельной мощности Зопри вйсокотемпературном нагреве,в 4-10 раз превышающей удельную мощность при предварительном нагреве,а также длительности высокотемпературного нагрева, составляющей 3-5 Ф отФдлител ь ности предварительного нагреваа, обеспечи вают нагрев трубы на глубинуравную "горячей"глубине проникновения тока ипрактически исключают дополнительный подогрев всего остальногообъема трубы за счет теплопроводности.Увеличение удельной мощности привысокотемпературном нагреве менее, 45чем в 4 раза, приводит к прогревувсего объема трубы, а, следовательно,к влиянию стенки трубы на глубинуслоя, нагреваемого выше закалочнойтемпературы.50Увеличение удельной мощности более,чем в 10 раз, . приводит к тому,что длительность высокотемпературного нагрева оказывается настолько малой, что дозирование энергии привысоютемпературном нагреве оказывмтсл практически невозможным. Для получения заданной глубинызакаленного слоя нагрев ведут токомчастоты, при которой глубина проникновения тока в трубу, нагретую доточки магнитных превращений, равна требуемой глубине закаленногослоя, Это объясняется тем, что послеэтапа термостатирования трубапрогревается до точки магнитных превращений равномерно по всему сечению,.а значит, учитывая то, что магнитнаяпроницаемость трубы в этом случаеравна единице, а удельное сопротивление постоянно по всему сечениютрубы, можно считать глубину проникновения тока по периметру трубы постоянной,Таким образом, на этапе высокотемпературного нагрева при резкомувеличении удельной мощности происходит быстрый нагрев до закалоцнойтемпературы равномерного слоя, равного по толщине глубине проникновения тока в материал трубы при температуре магнитных превращений, что,в свою очередь, позволяет получитьравномерный закаленный слой заданной глубины,П р и м е р , Нагреву на частоте70 кГц подвергали образцы труб изстали 40 с наружным диаметром 50 мм,диаметром отверстия 40 мм; максимальной толщиной стенки 6 мм, минималь-,ной толщиной стенки 4 мм, длиной100 мм для закалки наружной поверхности образца на глубину 2,5-3 мм,Нагрев осуществляли в цилиндрическоминдукторе диаметром 60 мм и длиной120 мм. Контроль температуры на наружной и внутренней поверхностяхобразца производили с помощью зацеканенных термопар,Предварительный нагрев во всехэкспериментах проводили на мощности11 кВт в течение 30 с. В конце предварительного нагрева температурасамой горячей точки трубы точки нанаружной поверхности в месте утоньшения стенки ) составляла 780 С, температура самой холодной точки ( точкина внутренней поверхности в местеутолщения стенки) - 740 С. Расчетнаямощность тепловых потерь с поверхности образца 1,4 кВт,Результаты экспериментов на частоте 70 кГц приведены в таблице., ба неравномерность: глубины закаленного слоя (разность максимальной иминимальной глубины закаленного:слоя)изменяется неболее цем в 2 раза,З 0 в то время как при нагреве за преде"лами этих значений неравномерностьзакаленного слоя резко возрастает, азначит, и увеличивается коробпениетрубы при закалке. Из таблицы видно, цто в экспериментах 1 и 5 неравномерность глубины закаленного слоя составляет 0,5- 0,7 мм, цто в 2,5-3,5 раза превышает неравномерность слоя внутри границ этих значений. В пределах предлагаемых значений (эксперимент 3 ) нерав". номерность глубины закапенного слоя изменяется не более чем в 2 раза по сравнению. с граничными значениямиНа основании приведенных экспери" ментальных данных можно сделать вы" вод, что в пределах предлагаемых граничных значений параметров спосооса. 35Таким образом, предлагаемый способ .,позволяет повысить равномерностьнагрева заготовок с различным попе,речным сечением на длине,Мак- си- мальная тем пература по сечению образцаС Мини- мальнаятемпература по сече нию об-. разца,С 850,2,2 970 2,5 980 2,9 1150 3 4 1200 4,0Ред3 О.Юрковецк писное дел 4/ лиал ПППроект жгород аэ 8464/57ВНИИПИ 113035 тавитель О.Щедриред М,Надь Тираж 845арственного комитетам изобретений и откра, Ж, Рауаскаая нае ав е ае ееваееееЕеатент", г. У рректор О.Ти