RU2799484C1 - Use of a two-frequency induction complex for heating steel ferromagnetic billets for plastic deformation - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to an induction heating device, and can be used to heat products made of ferromagnetic steels before their subsequent processing on deforming equipment. Improving the energy efficiency of a two-frequency induction complex during heating of cylindrical steel ferromagnetic billets to plastic deformation temperatures is the technical result of the invention, which is achieved due to the fact that heating is carried out sequentially in two induction sections of the complex at frequencies of 500 Hz and 2400 Hz, while in the first section of the billet heated to the temperature of the Curie point, in the second section to the temperature of plastic deformation. The complex is equipped with a hydraulic drive for feeding blanks into induction heaters with a protective lining, a cooling system collector, and a temperature sensor installed at the outlet of the second section.

EFFECT: improving the energy efficiency of a two-frequency induction complex during heating of cylindrical steel ferromagnetic billets to plastic deformation temperatures.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротермии, а именно к устройствам индукционного нагрева, и может быть применено для нагрева изделий из ферромагнитных сталей перед их последующей обработкой на деформирующем оборудовании.The invention relates to the field of electrothermy, namely to induction heating devices, and can be used to heat products made of ferromagnetic steels before their subsequent processing on deforming equipment.

Известно «Устройство индукционного нагрева изделий нецилиндрической формы» (патент RU №140034, МПК Н05В 6/10, опубл. 29.11.2013 г.), включающее в себя нагреваемую заготовку нецилиндрической формы и систему постоянных магнитов, расположенную соосно греющейся заготовке, система постоянных магнитов размещена так, что есть возможность вращения вокруг общей оси с нагреваемой заготовкой, ферромагнитное ярмо, на котором закреплена данная система постоянных магнитов, и полюсные наконечники, жестко закрепленные относительно нагреваемой заготовки, расположенные между нагреваемой заготовкой и системой постоянных магнитов, и выполненными в форме, которые обеспечивают соответствующую требуемым условиям нагрева конфигурацию электромагнитного поля в нагреваемой заготовке.It is known "Device for induction heating of products of non-cylindrical shape" (patent RU No. 140034, IPC H05V 6/10, publ. 11/29/2013), which includes a heated workpiece of non-cylindrical shape and a system of permanent magnets located coaxially to the heated workpiece, a system of permanent magnets placed so that it is possible to rotate around a common axis with a heated workpiece, a ferromagnetic yoke on which this system of permanent magnets is fixed, and pole pieces rigidly fixed relative to the heated workpiece, located between the heated workpiece and the system of permanent magnets, and made in the form that provide the configuration of the electromagnetic field corresponding to the required heating conditions in the heated workpiece.

Возбуждение электрического тока для нагрева заготовки возникает во время вращения в постоянном магнитном поле. Индуцируемый ток является источником резистивных потерь, из-за которых и происходит нагрев. Используемая для нагрева энергия, обеспечивается при помощи двигателя, создающим вращательное или поступательное движение.The excitation of an electric current to heat the workpiece occurs during rotation in a constant magnetic field. The induced current is a source of resistive losses, due to which heating occurs. The energy used for heating is provided by a motor that creates rotational or translational motion.

Устройство имеет ферромагнитное ярмо, на котором установлена данная система постоянных магнитов, и полюсными наконечниками, которые жестко закреплены относительно нагреваемой заготовки, расположенными между нагреваемой заготовкой и системой постоянных магнитов, которые выполнены в форме, обеспечивающей соответствующую требуемым условиям нагрева конфигурацию электромагнитного поля в нагреваемой заготовке.The device has a ferromagnetic yoke, on which this system of permanent magnets is installed, and pole pieces, which are rigidly fixed relative to the heated workpiece, located between the heated workpiece and the system of permanent magnets, which are made in a form that provides the configuration of the electromagnetic field corresponding to the required heating conditions in the heated workpiece.

Недостатком данного устройства является то, что оно не дает возможности нагревать заготовки с требуемым градиентом по его поверхности, что приводит к нарушению технологического режима.The disadvantage of this device is that it does not make it possible to heat the workpiece with the required gradient over its surface, which leads to a violation of the technological mode.

Наиболее близким прототипом является «Устройство для индукционного нагрева ферромагнитных изделий» (патент SU №64162, МПК Н05В 6/04, опубл. 01.01.1945 г.), которое включает в себя устройство индукционного нагрева ферромагнитных изделий с каскадным расположением двух и более индукторов. В котором первые по ходу движения нагреваемые изделия питаются током промышленной частоты (порядка 50 Гц), а последующие - токами повышенной частоты. В качестве источников тока повышенной частоты, используются индукторы первых зон нагрева, включенные по схемам умножителей частоты или снабженные дополнительными обмотками, включенными по схемам умножителей частоты. Таким образом обмотка индуктора последней зоны получает питание током повышенной частоты от дополнительных обмоток индукторов первых зон нагрева. Следовательно индукторы первых зон устройства совмещают в себе функции аппарата для нагрева деталей и функции умножителя частоты.The closest prototype is the "Device for induction heating of ferromagnetic products" (patent SU No. 64162, IPC H05V 6/04, publ. 01/01/1945), which includes a device for induction heating of ferromagnetic products with a cascade arrangement of two or more inductors. In which the first heated products in the direction of travel are fed with an industrial frequency current (about 50 Hz), and the subsequent ones are fed with high-frequency currents. As high frequency current sources, the inductors of the first heating zones are used, connected according to frequency multiplier circuits or equipped with additional windings connected according to frequency multiplier circuits. Thus, the inductor winding of the last zone is powered by high frequency current from additional inductor windings of the first heating zones. Therefore, the inductors of the first zones of the device combine the functions of an apparatus for heating parts and the functions of a frequency multiplier.

Недостатком «Устройство для индукционного нагрева ферромагнитных изделий» является применение от трех и более индукторов различных частот, а также снабжение дополнительными обмотками уже существующих индукторов.The disadvantage of the "Device for induction heating of ferromagnetic products" is the use of three or more inductors of different frequencies, as well as the supply of additional windings of existing inductors.

Задача, на которую направлено изобретение, заключается в повышении энергоэффективности индукционной нагревательной установки методического действия для нагрева стальных ферромагнитных заготовок перед последующими операциями обработки на деформирующем оборудовании.The problem to which the invention is directed is to increase the energy efficiency of a methodical induction heating installation for heating steel ferromagnetic billets before subsequent processing operations on the deforming equipment.

Технический результат заключается в разработке конструкции двухсекционного индукционного нагревателя, способствующей повышению ее энергоэффективности.The technical result consists in the development of a design of a two-section induction heater, which improves its energy efficiency.

Технический результат достигается изменением конструкции двухчастотного индукционного комплекса, приводящим к усовершенствованию конечно-элементной модели взаимозависимых электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве и возможности проведения исследований процессов индукционного нагрева цилиндрических стальных ферромагнитных заготовок до температур пластической деформации в магнитном поле двухчастотного индукционного нагревателя, отличающейся тем, что нагрев стальных ферромагнитных установок осуществляется последовательно в двух секциях при частотах в 500 Гц и 2400 Гц, которые ранее не использовались. В первой секции производится нагрев заготовки при частоте 500 Гц до момента пока температура заготовки не достигнет точки Кюри, что приведет к утере магнитных свойств. Во второй секции, заготовка нагревается до температуры соответствующей температуре пластических деформаций, при частоте 2400 Гц. Предлагаемая конструкция двухчастотного индукционного комплекса и указанные частоты имеют теоретическое обоснование полученные при помощи разработанного алгоритма расчета взаимосвязанных электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. В ходе работы были разработаны рекомендации по выбору частоты источника питания для каждой секции нагревателя в зависимости от типогабарита заготовок и их физических характеристик.The technical result is achieved by changing the design of a two-frequency induction complex, leading to an improvement in the finite element model of interdependent electromagnetic and thermal processes during induction heating and the possibility of conducting research on the processes of induction heating of cylindrical steel ferromagnetic billets to plastic deformation temperatures in the magnetic field of a two-frequency induction heater, characterized in that heating of steel ferromagnetic installations is carried out sequentially in two sections at frequencies of 500 Hz and 2400 Hz, which were not previously used. In the first section, the billet is heated at a frequency of 500 Hz until the billet temperature reaches the Curie point, which will lead to the loss of magnetic properties. In the second section, the workpiece is heated to a temperature corresponding to the plastic deformation temperature, at a frequency of 2400 Hz. The proposed design of a two-frequency induction complex and the indicated frequencies have a theoretical justification obtained using the developed algorithm for calculating interconnected electromagnetic and temperature fields by the finite element method. In the course of the work, recommendations were developed for choosing the frequency of the power source for each section of the heater, depending on the size of the workpieces and their physical characteristics.

Заявленный двухчастотный индукционный комплекс соответствует критерию «новизна», так как имеет следующие отличия от прототипа:The claimed two-frequency induction complex meets the criterion of "novelty", as it has the following differences from the prototype:

1. Усовершенствованная математическая модель процесса индукционного методического нагрева стальных ферромагнитных заготовок, учитывающая нелинейную зависимость физических характеристик металла от температуры и наличие двух автономных секций с различными частотами.1. An improved mathematical model of the process of methodical induction heating of steel ferromagnetic billets, taking into account the nonlinear dependence of the physical characteristics of the metal on temperature and the presence of two autonomous sections with different frequencies.

2. На базе численных моделей получены конструктивные и режимные параметры двухчастотного нагревателя с двумя автономными источниками питания различной частоты.2. On the basis of numerical models, the design and operating parameters of a two-frequency heater with two autonomous power supplies of different frequencies are obtained.

3. Нагрев в первой секции индуктора производится сразу на повышенной частоте 500 Гц, в отличие от известных моделей в которых нагрев в первой секции производится на промышленной частоте в 50 Гц.3. Heating in the first section of the inductor is carried out immediately at an increased frequency of 500 Hz, unlike known models in which heating in the first section is carried out at an industrial frequency of 50 Hz.

Двухчастотный индукционный нагревательный комплекс для нагрева стальных ферромагнитных заготовок под пластическую деформацию состоит из двух автономных секций, которые подключены к независимым друг от друга источникам питания (фиг. 1). Двухчастотный индукционный нагревательный комплекс состоит из: индукционного нагревателя 1, работающего на частоте 500 Гц; индукционного нагревателя 2, работающего на частоте 2400 Гц; конденсаторные установки 3, которые служат для того, чтобы компенсировать реактивную мощность (они подключены к обеим секциям нагревателя); устройство загрузки 4, служащее для переноса заготовок сквозь нагреватель; датчик температуры 5, который устанавливается на выходе из второй секции; подающий коллектор системы охлаждения 6.A two-frequency induction heating complex for heating steel ferromagnetic billets for plastic deformation consists of two autonomous sections that are connected to independent power sources (Fig. 1). Dual-frequency induction heating complex consists of: induction heater 1, operating at a frequency of 500 Hz; induction heater 2 operating at a frequency of 2400 Hz; capacitor units 3, which serve to compensate for reactive power (they are connected to both sections of the heater); loading device 4, which serves to transfer the workpieces through the heater; temperature sensor 5, which is installed at the outlet of the second section; supply manifold of the cooling system 6.

Эскиз двухсекционного индукционного нагревателя изображен на фиг. 2, на котором изображены: первая секция индуктора 7; вторая секция индуктора 8; футеровка 9; заготовки 10.A sketch of a two-section induction heater is shown in Fig. 2, which shows: the first section of the inductor 7; the second section of the inductor 8; lining 9; blanks 10.

Двухчастотный индукционный комплекс работает следующим образом. Нагреваемая заготовка помещается перед индукторами, гидравлический привод заталкивает ее в первую секцию индуктора и начинается ее нагрев, каждая последующая заготовка проталкивает ее дальше внутри индуктора, по мере движения заготовки в первой секции она нагревается до температуры 700-800°С, затем перемещается во вторую секцию и осуществляется нагрев на повышенной частоте до температур 1200-1300°С, температура на выходе из второй секции измеряется пирометром. Нагретые заготовки перемещаются дальше для обработки на деформирующем оборудовании.Dual-frequency induction complex operates as follows. The heated workpiece is placed in front of the inductors, the hydraulic drive pushes it into the first section of the inductor and its heating begins, each subsequent workpiece pushes it further inside the inductor, as the workpiece moves in the first section, it heats up to a temperature of 700-800 ° C, then moves to the second section and heating is carried out at an increased frequency to temperatures of 1200-1300°C, the temperature at the outlet of the second section is measured by a pyrometer. The heated blanks are moved further for processing on the deforming equipment.

Процесс индукционного нагрева заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую энергию непосредственно в самом нагреваемом изделии. Сложность исследования процесса преобразования электроэнергии в тепло в индукционной системе заключается в необходимости учета зависимости характеристик объекта от изменяющейся в процессе нагрева температуры. Существенной особенностью исследования процесса является наличие ферромагнитных свойств нагреваемого изделия, которые при переходе через точку Кюри исчезают. Металл становится немагнитным. Это приводит к значительному изменению параметров индукционного нагревателя при высокотемпературном нагреве ферромагнитных заготовок. Известно, что применение промышленной частоты целесообразно для сквозного нагрева стальных заготовок с минимальным диаметром 120 мм. Однако, нагрев на промышленной частоте оказывается эффективным только до температуры, соответствующей точке Кюри. При более высоких температурах ухудшаются энергетические показатели индукционной установки, уменьшается коэффициент полезного действия. Чтобы повысить эффективность нагрева в области высоких температур для нагрева заготовок выше точки Кюри до температур пластической деформации целесообразно использовать более высокие частоты, т.е. нагрев заготовок осуществлять в двухсекционном нагревателе. В первой секции производится нагрев заготовок до температуры, соответствующей потере магнитных свойств, осуществлять в секции низкой частоты 500 Гц, а последующий нагрев до заданной температуры пластической деформации (1200-1300°С) осуществлять в секции с источником питания более высокой частоты, например, 2400 Гц.The process of induction heating consists in converting electrical energy into thermal energy directly in the heated product itself. The complexity of studying the process of converting electricity into heat in an induction system lies in the need to take into account the dependence of the characteristics of the object on the temperature changing during the heating process. An essential feature of the study of the process is the presence of ferromagnetic properties of the heated product, which disappear when passing through the Curie point. The metal becomes non-magnetic. This leads to a significant change in the parameters of the induction heater during high-temperature heating of ferromagnetic billets. It is known that the use of industrial frequency is expedient for through heating of steel billets with a minimum diameter of 120 mm. However, heating at industrial frequency is effective only up to a temperature corresponding to the Curie point. At higher temperatures, the energy performance of the induction installation deteriorates, and the efficiency decreases. In order to increase the efficiency of heating in the high-temperature region, it is expedient to use higher frequencies for heating workpieces above the Curie point to plastic deformation temperatures, i.e. workpieces are heated in a two-section heater. In the first section, the workpieces are heated to a temperature corresponding to the loss of magnetic properties, to be carried out in a low frequency section of 500 Hz, and subsequent heating to a predetermined plastic deformation temperature (1200-1300 ° C) is carried out in a section with a power source of a higher frequency, for example, 2400 Hz.

Технико-экономический эффект предлагаемого двухчастотного индукционного комплекса выражается в повышении энергоэффективности нагрева ферромагнитных сталей, за счет повышения коэффициента полезного действия, а также сокращения общей длины нагревателя. В результате проведенной работы удалось повысить энергоэффективность индукционного нагрева, при уменьшенных на 15% общей длинны двухчастотного нагревателя по сравнению с односекционным нагревателем такой же производительности.The technical and economic effect of the proposed two-frequency induction complex is expressed in increasing the energy efficiency of heating ferromagnetic steels, by increasing the efficiency, as well as reducing the total length of the heater. As a result of the work carried out, it was possible to increase the energy efficiency of induction heating, with a total length of a two-frequency heater reduced by 15% compared to a single-section heater of the same performance.

Claims (1)

Двухчастотный индукционный нагревательный комплекс для нагрева стальных ферромагнитных заготовок под пластическую деформацию, содержащий две автономные секции индукторов, которые подключены к независимым друг от друга источникам питания и расположены последовательно по ходу движения нагреваемых заготовок, отличающийся тем, что первый индукционный нагреватель работает на частоте 500 Гц, второй индукционный нагреватель работает на частоте 2400 Гц, к обоим индукционным нагревателям подключены конденсаторные установки, компенсирующие из реактивную мощность, при этом в первой секции индуктора заготовки нагревают до температуры 700-800°С, во второй секции до температуры 1200-1300°С, на выходе которой установлен датчик температуры, комплекс снабжен гидравлическим приводом для подачи заготовок в нагреватели, которые выполнены с футеровкой, а также содержит коллектор системы охлаждения.A two-frequency induction heating complex for heating steel ferromagnetic billets for plastic deformation, containing two independent sections of inductors that are connected to independent power sources and arranged in series along the heated billets, characterized in that the first induction heater operates at a frequency of 500 Hz, the second induction heater operates at a frequency of 2400 Hz, capacitor units are connected to both induction heaters, compensating for reactive power, while in the first section of the inductor the workpiece is heated to a temperature of 700-800 ° C, in the second section to a temperature of 1200-1300 ° C, on at the outlet of which a temperature sensor is installed, the complex is equipped with a hydraulic drive for supplying blanks to the heaters, which are made with a lining, and also contains a cooling system collector.

Images