Индукционная нагревательная установка
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

В основном все типы нагревательных индукторов могут быть разделены на два вида: одновременного и непрерывно-последовательного нагрева. В первом случае площадь индуктирующего провода примерно равна площади нагреваемой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все её участки. При втором способе нагреваемое изделие перемещают относительно индуктирующего провода, последовательно нагревая участки поверхности изделия.

Существуют нагревательные индукторы для поверхностного нагрева и закалки различных изделий (деталей), для сквозного нагрева кузнечных заготовок, нагрева листового материала, для плавки металлов и др., различающиеся конструктивным выполнением, частотой питающего электрического тока, материалом магнитопровода индуктирующей системы и пр.

Поверхностная закалка стали. Закалка ТВЧ. Закалка стали ТВЧ. Установка для закалки ТВЧ. Закалка токами высокой частоты.

На рис. 1 показан индуктор нагревательный для нагрева под закалку простых цилиндрических деталей способом одновременного нагрева. Чтобы избежать перегрева и расплавления индуктирующего провода, его выполняют массивным. Такие нагревательные индукторы питают током с частотой 10 кгц. На поверхности индуктирующего провода расположены отверстия для подачи на нагретую деталь закалочной воды после выключения электрического тока. Таким образом одновременно охлаждается и сам индуктор нагревательный.

Рисунок 1 – Индуктор для закалки цилиндрических деталей способом одновременного нагрева

1 – воронки для выравнивания давления закалочной воды в камере 2; 3 – индуктирующий провод с отверстиями для выхода закалочной воды; 4 – трубопровод водяного охлаждения

Простейшим многовитковым нагревательным индуктором, предназначенным для закалки внутренних поверхностей деталей, является соленоид. Соленоидными нагревательными индукторами нагревают внутренние цилиндрические поверхности диаметром 50 мм и более. При диаметрах отверстий меньше 30 мм используют петлевые нагревательные индукторы с магнитопроводом (рис. 2), а для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей диаметром меньше 15 мм – стержневые нагревательные индукторы в виде трубки, диаметр которой на несколько мм меньше диаметра обрабатываемого отверстия. Трубка по отношению к отверстию располагается коаксиально. Для сквозного нагрева кузнечных заготовок применяют нагревательные индукторы, изготавливаемые из трубки, которая при большой длине разделяется на несколько секций с отдельным охлаждением.

Рисунок 2 – Петлевой индуктор для закалки внутренних цилиндрических поверхностей способом одновременного нагрева при вращении закаливаемой детали

а – конструкция с отдельными камерами для охлаждения индуктора и выхода закалочной воды; б – конструкция без постоянного охлаждения

1 – магнитопровод; 2 – индуктирующий провод; 3 – трубопровод водяного охлаждения

Плоские поверхности изделий нагревают для закалки индуктором нагревательным с индуктирующим проводом в виде плоских спиралей или зигзагов (для малых нагреваемых площадей) либо непрерывно-последовательным способом нагрева с перемещением нагреваемой детали над индуктирующим проводом (рис. 3). Существуют секционированные нагревательные индукторы с отдельными подводами электрического тока к каждой секции; включая или выключая в определённом порядке секции, можно закаливать (нагревать) поверхности переменной ширины и требуемой формы. Нагрев торцевых поверхностей производится индуктором нагревательным зигзагообразной формы; для равномерного нагрева поверхности деталь вращают.

Рисунок 3 – Индуктор для закалки плоской поверхности непрерывно-последовательным способом

1 – индуктирующий провод; 2 – магнитопровод; 3 – душевое устройство для подачи закалочной воды; 4 – трубопровод водяного охлаждения

Листовой материал и ленты наиболее эффективно нагреваются в поперечном магнитном поле (рис. 4), при этом толщина листа должна быть меньше глубины проникновения тока (обычно на частотах от 10 до 70 кгц). Нагрев и закалку зубьев шестерни производят в петлевом индукторе нагревательном, охватывающем зуб с двух сторон. Чтобы закалить (см. Закалка стали) впадину между зубьями, индуктирующий провод располагают вдоль окружности шестерни, устанавливая против впадин магнитопроводы, входящие при рабочем положении внутрь впадин.

Индукционная нагревательная установка
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

Рисунок 4 – Схема индукторов для нагрева листового материала в поперечном магнитном поле

а – при размещении индуктирующего провода с одной стороны нагреваемого листа; б – при размещении индуктирующего провода с обеих сторон нагреваемого листа

1 – индуктирующий провод; 2 – магнитопровод; 3 – ярмо магнитопровода

Обычно индукционные нагревательные установки состоят из генератора, индуктора, конденсаторной батареи, механизмов для перемещения нагреваемых заготовок, системы водоохлаждения и системы защиты и контроля.

Технология нагрева и нагревательное оборудование
Безокислительный нагрев. Регенеративная печь. Рекуперативная печь.

Нагрев заготовок в индукционной нагревательной установке для сквозного нагрева осуществляется в многовитковом водоохлаждаемом футерованном индукторе (см. Индуктор нагревательный). Холодные заготовки подаются в индуктор с одной стороны и выходят нагретыми с другой.

Приводы механизма подачи:

• электромеханический;
• пневматический;
• гидравлический.

Нагрев ведётся на низкой или средней частоте. Индукционные нагревательные установки применяют главным образом для нагрева заготовок из стали, меди, алюминия, молибдена, вольфрама, титана, циркония и различных сплавов на их основе. Для индукционных нагревательных установок характерны высокая степень автоматизации процесса и малый угар нагреваемого в них металла (для стали менее 0,5% ).

Индукторы индукционных нагревательных установок для поверхностной закалки стальных деталей выполняют без теплоизоляции. Зазор между индуктором и нагреваемой деталью составляет 3—5 мм, что обеспечивает высокий электрический кпд процесса. Индукторы установок чаще всего состоят из одного витка; питание подводится от генератора средней или высокой частоты через согласующий трансформатор.

Индукционная печь. Схема индукционной печи.

В качестве охлаждающих жидкостей при закалке используют воду, масло и различные эмульсии, которые подают на поверхность детали через отверстия в индукторе или с помощью специальных устройств.

Индукционная нагревательная установка
Технология нагрева и нагревательное оборудование

Тигельная индукционная печь состоит из индуктора, представляющего собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой трубки, и тигля, который в зависимости от свойств расплава изготовляется из керамических материалов, а в специальных случаях – из графита, стали и др. В тигельных индукционных печах выплавляют сталь, чугун, драгоценные металлы, медь, алюминий, магний. Печи изготовляют с ёмкостью тигля от нескольких килограммов до нескольких сотен тонн. Они выполняются: открытыми, вакуумными, газонаполненными и компрессионными; питание печей осуществляется токами низкой, средней и высокой частоты.

Схемы индукционных плавильных печей

а – тигельная, б – канальная

1 – индуктор; 2 – расплавленный металл; 3 – тигель; 4 – магнитный сердечник; 5 – подовый камень с каналом тепловыделения

Основные узлы канальной индукционной печи: плавильная ванна и так называемая индукционная единица, в которую входят подовый камень, магнитный сердечник и индуктор. Отличие канальных печей от тигельных состоит в том, что преобразование электромагнитной энергии в тепловую происходит в канале тепловыделения, который должен быть постоянно заполнен электропроводящим телом. Для первичного пуска канальных индукционных печей в канал заливают расплавленный металл или вставляют шаблон из материала, который будет плавиться в печи. При завершении плавки металл из печи сливают не полностью, оставляя так называемое «болото», которое обеспечивает заполнение канала тепловыделения для последующего пуска. Для облегчения замены подового камня индукционные единицы современных печей изготовляют отъёмными.

Технология нагрева и нагревательное оборудование
Индукционный нагрев. Индукционный нагрев металла. Индукционный нагрев схема.

В канальных индукционных печах выплавляют цветные металлы и их сплавы, чугун. Ёмкость плавильных ванн печей может быть от нескольких сотен килограммов до сотен тонн; питание печей осуществляется током промышленной частоты.

Для плавки в индукционных печах характерны: относительно холодный шлак, так как тепло выделяется в расплавленном металле; большая производительность процесса; интенсивное перемешивание и высокое качество переплавляемого металла. Индукционные печи применяют для переплава и рафинирования металлов, а также в качестве миксеров (копильников) для хранения и перегрева жидкого металла перед разливкой.

Технология нагрева и нагревательное оборудование
Безокислительный нагрев. Регенеративная печь. Рекуперативная печь.

Индукционный нагрев характеризуется неравномерным выделением мощности в нагреваемом объекте. В поверхностном слое, называемом глубиной проникновения, выделяется 86% всей мощности. Глубина проникновения тока Δ (м) равна:

где Δm – глубина проникновения тока;
р_m – удельное сопротивление раскаленного металла;
μ_о, μ_m – абсолютная и относительная проницаемости;
f – частота тока в обмотке.

Индукционная печь. Схема индукционной печи.
Индукционная нагревательная установка

Для создания переменного электромагнитного поля при индукционном нагреве используются токи низкой (50 Гц), средней (до 10 кГц) и высокой (свыше 10 кГц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы.

Принципиальная схема установки индукционного нагрева

1 — источник питания; 2 — блок реактивной ёмкостной мощности (конденсатор); 3 — индуктор; 4 — футерованное технологическое пространство (тигель); 5 — нагреваемый объект

К наиболее распространённым процессам, использующим индукционный нагрев, относятся: плавка металлов (см. Индукционная печь), зонная плавка, нагрев под обработку давлением (см. Индукционная нагревательная установка) и др. Индукционный нагрев — наиболее совершенный бесконтактный способ передачи электроэнергии в нагреваемое тело с непосредственным преобразованием её в тепловую.

Технология нагрева и нагревательное оборудование

Муфель электрической муфельной печи ПМ-8

Классификация муфельных печей

Муфельные печи подразделяются по температурному рабочему диапазону на следующие типы:

• Умеренные температуры: 100°С—500°С;
• Средние температуры: 400°С—900°С;
• Высокие температуры: 900°С—1400°С;
• Сверхвысокие температуры: 1400°С—1650°С (2000°С).

По типу нагрева:

• Электрические муфельные печи;
• Газовые муфельные печи.

По защитному режиму обработки:

• Воздушные: нагрев в воздушной среде (общее назначение);
• С защитной газовой атмосферой: нагрев в специальной газовой среде (водород, аргон, гелий, азот, восстановительные газы, азотирующие газы и др.);
• Вакуумные: нагрев в вакууме.

По конструкции:

• Вертикальной загрузки (горшковые);
• Колпаковые (с отделением от пода);
• Горизонтальной загрузки (простые);
• Трубчатые (поверка термопар).

Технология нагрева и нагревательное оборудование

Материалы для муфельных печей

Материалы предназначенные для производства муфельных печей:

• Конструкционные стали: мягкие стали общего назначения для конструкции теплоизолирующих кожухов, опор, дверц и др.
• Огнеупорные материалы: высокоглиноземистые огнеупорные муфели, электроизоляция, дверцы, вспененные огнеупорные засыпки для теплоизоляции печей и др.

Материалы для электрических печных нагревателей:

• Сплавы типа: нихром, фехраль в виде проволоки, ленты и стержней;
• Вольфрам: проволока, лента и стержни;
• Молибден: проволока, лента и стержни;
• Тантал: проволока, лента и стержни;
• Платина и платиновые сплавы: проволока, лента, стержни;
• Хромит лантана: стержни, трубки и профили;
• Хромит иттрия: стержни, трубки и профили;
• Хромит скандия: стержни, трубки и профили.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Устройство и схема обвязки шкафной ГРУ

а – принципиальная схема:
1 – входной штуцер; 2 – входной клапан; 3 – фильтр; 4 – штуцер для манометра; 5 – клапан ПКК-40М; 6 – регулятор РД-32М (РД-50М); 7 — штуцер замера конечного давления; 8 – выходной клапан; 9 – сбросная линия встроенных в регуляторы предохранительных клапанов; 10 – импульсная линия конечного давления; 11 – импульсная линия; 12 – штуцер с тройником; 13 – манометр

б – разрез клапана ПКК-40М:
1, 13 – клапаны; 2 – штуцер; 3, 11 – пружины; 4 -резиновое уплотнение; 5, 7 – отверстия; 6, 10 – мембраны; 8 – пусковая пробка; 9 – импульсная камера; 12 – шток

После чего пусковую пробку завинчивают. По открытому клапану газ подается на регуляторы давления, а затем по импульсной трубке поступает в камеру 9. При повышении более за регуляторами давления газа сверх установленных пределов мембрана 6 переместится вверх, вне зависимости от упругости пружины 3, в результате чего, прикрытое ранее резиновым уплотнением 4 отверстие 5 откроется. Поднимаясь, верхняя мембрана 6 упирается своим диском в крышку, при этом нижняя, находясь под действием пружины 11 и массы клапана со штоком, опускается вниз, в результате чего клапан закрывает проход газа.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Сильфонный блок состоит из соединенных между собой сильфонов 2 и 6, изнутри наполненных жидкостью, которая состоит из 67 % воды и 33 % глицерина.

Расход газа можно измерять при помощи ротационных счетчиков газа (см. Счетчики газа ротационные).

Сильфоны связаны между собой штоком 8. Импульс в сильфон 2 подводится до диафрагмы, а в сильфон 6 импульс подводится после диафрагмы.

Сильфонный дифманометр

1 – сильфонный блок; 2 – плюсовый сильфон; 3 – рычаг; 4 – ось; 5 – дроссель; 6-минусовый сильфон; 7 – сменные пружины; 8 – шток

В процессе более высокого давления левый сильфон сжимается, и находящаяся в нем жидкость, через дроссель 5 перетекает в правый сильфон. Жестко соединяющий донышки сильфонов шток 8, перемещается вправо и через рычаг 3 приводит во вращение ось 4, кинематически связанную со стрелкой и пером регистрирующего и показывающего прибора.

С помощью дросселя 5 регулируется скорость перетекания жидкости, что снижает влияние пульсации давления на работу прибора. Сменные пружины 7 применяются для соответствующего предела измерения.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Строение ротационного счетчика РГ таково: корпус 1, два профилированных ротора 2, коробка зубчатых колес, редуктор, счетный механизм и дифференциальный манометр 3. В рабочую камеру газ поступает через входной патрубок. Размещенные роторы на территории рабочей камеры приводятся во вращение под действием давления протекающего газа.

Расход газа можно измерять при помощи сильфонного дифманометра (см. Сильфонный дифманометр).

Ротационный счетчик типа РГ

1 –корпус счетчика, 2- роторы, 3- дифференциальный манометр, 4- счетный механизм

В процессе вращение роторов между одним из них и стенкой камеры образуется замкнутое пространство, заполненное газом. При вращении ротора газ выталкивается в газопровод. Учет количества газа, проходящего через счетчик, происходит по средствам передачи каждого поворота ротора через коробку зубчатых колес и редуктор счетному механизму.

Счетчики ротационные типа РГ-К-Ех

Процесс подготовки ротора к эксплуатации происходит следующим образом. Для начала снимают верхний и нижний фланцы, промывают роторы мягкой смоченной в бензине кистью, при этом, чтобы не повредить шлифованную поверхность, поворачивая их деревянной палочкой. Затем заливают бензин через верхнюю пробку, проворачивают роторы несколько раз, сливая бензин через нижнюю пробку, таким образом, промывают обе коробки зубчатых колес и редуктор. Далее в коробки зубчатых колес, редуктор и счетный механизм заливают масло; в дифференциальный манометр счетчика заливают соответствующую жидкость; соединяют фланцы и проверяют счетчик путем пропускания через него газа, после чего замеряют перепад давлений. Затем проверяют работу счетного механизма и прослушивают работу роторов, которые должны вращаться бесшумно.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

В процессе технического осмотра необходимо проследить уровень масла в коробках зубчатых колес, редукторе и счетном механизме, замерить перепад давления, проверить на плотность соединения счетчиков. Счетчики устанавливают на вертикальных участках газопроводов так, чтобы поток газа направлялся через них сверху вниз.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Непосредственно перед манометром располагается отключающий кран, который при необходимости позволяет снять манометр и заменить его. Не реже одного раза в год все манометры, задействованные в эксплуатации, должны проходить государственную поверку, также проверке подвергаются манометры, вышедшие после ремонта. Измеряемое манометром рабочее давление должно быть в пределах от V3 до 2/3 их шкалы.

Рисунок 1 – Манометр с одновитковой трубчатой пружиной

1 – шкала; 2 – стрелка; 3 – ось; 4 – зубчатое колесо; 5 – сектор; 6 – трубка; 7 – тяга; 8 – пружинный волосок; 9 – штуцер

Схема самопишущего манометра с многовитковой пружиной показана на рисунке 2. Пружина имеет вид сплюснутой окружности диаметром 30 мм с шестью витками. Большая длина пружины позволяет ее свободному концу перемещаться на 15 мм, у одновитковых манометров – только на 5-7 мм, при этом угол раскручивания пружины достигает 50-60°. Это свойство пружины дает возможность применять простейшие рычажные передаточные механизмы, а также осуществлять автоматическую запись показаний с дистанционной передачей.

В процессе работы манометра в измеряемой среде свободный конец пружины 1 рычага 2 поворачивает ось 3, при этом перемещение рычагов 4 и 7 и тяги 5 будет передаваться оси 6. Мостик 8 крепиться на оси 6 и соединяется со стрелкой 9. При этом все изменения давления и перемещение пружины через рычажный механизм передаются стрелке, у которой на конце расположено перо для записи измеряемой величины давления. Вращение диаграммы происходит с помощью часового механизма.

Рисунок 2 – Самопишущий манометр с многовитковой пружиной

1 – многовитковаяпружина; 2, 4, 7-рычаги; 3, 6 – оси; 5 – тяга; 8 – мостик; 9 – стрелка с пером; 10 – картограмма

• по назначению;
• по характеру регулирующего воздействия;
• по связи между входной и выходной величинами;
• по способу воздействия на регулирующий клапан;
• по устройству, диапазонам входных и выходных давлений;
• по способам настройки и регулировки.

По характеру регулирующего воздействия регуляторы давления делятся на пропорциональные, статические и астатические.

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Мембрана 2 (рисунок, а) астатического регулятора давления газа выполнена в форме поршня, в процессе давления газа ее активная площадь при любых положениях регулирующего клапана 6 не изменяется. Поэтому при давлении газа уравновешивающей силу тяжести мембраны 2 стержня 1 и клапана 6 мембранная подвеска принимает состояние астатического (безразличного) равновесия.

Регуляторы давления

а – астатического: 1 – стержень; 2 – мембрана; 3 – стрежень; 4 – подмембранная полость; 5 – выход газа; 6 – клапан

б – пропорцонального: 1 – стрежень; 2 – пружина; 3 – мембрана; 4 – подмембранная полость; 5 – импульсная трубка; 6 – сальник; 7 – клапан

Вся работа по регулированию давления газа протекает следующим образом. К примеру, расход газа через регулятор равен его притоку и клапан 6 принимает определенное положение. При увеличении расхода газа давление уменьшится и опуститься мембранное устройство, из-за чего произойдет дополнительное открытие регулирующего клапана. Как только приход и расход будут равны, давление газа увеличится до заданной величины. При уменьшении расхода газа произойдет увеличение давления газа, при этом процесс регулирования будет проходить в обратном направлении. Регулятор при помощи специальных грузов 3 настраивают на необходимое давление газа, при этом выходное давление газа с увеличением массы этих грузов возрастает.

После возмущения астатические регуляторы независимо от величины нагрузки и положения регулирующего клапана приводят регулируемое давление к заданному значению. Уравновешивание системы происходит исключительно при заданном значении регулируемого параметра, в этом случае регулирующий клапан может занимать любое положение. Астатические регуляторы часто заменяют пропорциональными (статическими).

В пропорциональных регуляторах подмембранная полость отделяется коллектора сальником, и соединяется с ним импульсной трубкой, т. е. узлы обратной связи расположены вне объекта. При этом вместо грузов на мембрану действует сила сжатия пружины 2 (рисунок, б). В астатическом регуляторе любое изменение выходного давления газа ведет к перемещению регулирующего клапана из одного крайнего положения в другое. В статическом регуляторе добиться полного перемещения клапана из одного крайнего положения в другое можно только при соответствующем сжатии пружины.
И астатические и пропорциональные регуляторы в процессе работы с очень узкими пределами пропорциональности имеют свойства систем, работающих по принципу «открыто-закрыто», это означает, что при незначительном изменении параметра газа перемещение клапана происходит мгновенно. Для устранения этого явления необходимо установить в штуцере специальные дроссели, который будет соединять рабочую полость мембранного устройства с газопроводом или свечой. При помощи дросселей можно уменьшить скорость перемещения клапанов и добиться более устойчивого процесса работы регулятора.

По способу воздействия на регулирующий клапан регуляторы бывают с прямым и непрямым действием. Регулирующий клапан в регуляторах прямого действия находится под действием регулирующего параметра прямо или через зависимые параметры. С изменением величины регулируемого параметра усилие, возникающее в чувствительном элементе регулятора, приводит его в действие. Эту усилие должно быть достаточным для перестановки регулирующего клапана без постороннего источника энергии.

В регуляторах непрямого действия чувствительный элемент воздействует на регулирующий клапан сжатым воздухом, водой или электрическим током.

При изменении величины регулирующего параметра вспомогательное устройство, открывающее доступ энергии от постороннего источника в механизм, перемещающий регулирующий клапан приводит в действие усилие, которое возникает в чувствительном элементе регулятора.