Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Индукционный нагрев титановых сплавов

Индукционный нагрев титановых сплавов

01.07.2017

Сущность индукционного нагрева состоит в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощенной нагреваемым объектом, в тепловую. Магнитное поле создается спиральной катушкой, выполненной из водоохлаждаемой медной трубы, по которой пропускается переменный ток.
При индукционном нагреве в отличие от электроконтактного нагрева отсутствует непосредственный электрический контакт с нагреваемой заготовкой.
Основными преимуществами индукционного способа нагрева являются: высокий к. п. д. (до 70%), высокая скорость нагрева, компактность и простота установки, возможность регулирования мощности для выравнивания температуры, высокая производительность установок, отсутствие каких-либо особых требований к качеству поверхности заготовки, лучшие санитарно-гигиенические условия труда.
Недостатками этого метода следует считать: необходимость обеспечения постоянства сечения нагреваемой заготовки; узкий диапазон размеров заготовок, нагреваемых в одном индукторе, значительная неравномерность нагрева заготовки из-за выделения основного количества энергии в объеме, близком к поверхности.
Анализируя перечисленные преимущества применительно к нагреву титановых сплавов, следует отметить, что высокая скорость нагрева заготовок большого диаметра резко повышает производительность установок и создает лучшие условия для их нагрева без образования газонасыщенного слоя большой толщины.
В настоящее время индукционный нагрев широко применяется на всех технологических переделах производства титановых полуфабрикатов. Наиболее эффективно его применяют при нагреве прутков и слябов под прокатку и слитков под ковку и штамповку.

Применяются установки двух типов: периодического действия и методические. В методической печи одновременно находятся несколько заготовок, которые в процессе нагрева перемещаются через индуктор. Этот способ наиболее пригоден для нагрева заготовок сравнительно небольшой массы до невысокой температуры. При необходимости нагрева больших заготовок (2—5 т) до высокой температуры (1200—1250° C) более рационально использовать периодические печи с вертикальным расположением индукторов. При вертикальном расположении заготовки меньше нагрузка на тепловую изоляцию печи и исключается трение заготовки о направляющие, что имеет место в печи с горизонтальным расположением индуктора.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом работает большое число индукционных печей с высокой степенью автоматизации всего процесса нагрева. С автоматизацией индукционных печей можно ознакомиться по литературным источникам.
Важнейшим фактором при индукционном нагреве является перепад температур по сечению нагреваемого слитка или заготовки. Для титановых сплавов неравномерное температурное поле по сечению заготовки может привести к большой структурной неоднородности, которая не всегда устраняется в процессе деформации. Характерной особенностью титановых сплавов является образование перегретой зоны вблизи поверхности. Учитывая высокую температуру нагрева титановых сплавов под деформацию, перегрев в отдельных участках может привести к местному расплавлению металла и выбросу его при последующей деформации. Причины развития этого явления заключаются в том, что глубина проникновения тока в заготовках из титановых сплавов около 70—100 мм, при этом наличие значительных тепловых потерь с поверхности заготовки и низкая теплопроводность титановых сплавов создают условия для возникновения на определенном расстоянии от поверхности зоны со значительно более высокой температурой. Появление таких зон при нагреве крупных слитков из титановых сплавов перед деформацией наиболее опасно.
Исследованию температурного поля титановых слитков при индукционном нагреве посвящен ряд работ, в которых при помощи термопар, зачеканенных на различном расстоянии от поверхности, замерялось температурное поле слитка. Наиболее обстоятельно эти эксперименты проведены в работе. Типичное распределение температур по объему слитка показано на рис. 3 и 4. На этих рисунках хорошо видна величина перепада между центром и поверхностными слоями Формирование перегретого слоя начинает происходить спустя 4—10 мин с начала нагрева. По мере нагрева увеличивается разность температур центра и поверхности и повышается величина тепловых потерь с боковой поверхности слитка. Проведенные замеры показали четкую зависимость между величиной перегрева и положением перегретого слоя по отношению к поверхности.

На рис. 5 видно, что чем выше температура поверхности, тем больше перепад в перегретой зоне и тем ближе к центру она располагается.
Понижение мощности нагрева благоприятно влияет на распределение температур в объеме слитка. Большая мощность приводит к резкому возрастанию температурного перепада по сечению нагреваемой заготовки, что может привести к возникновению термических напряжений, способствующих растрескиванию, и повышению температуры перегретой зоны. Понижение мощности приводит к уменьшению общего перепада температуры по сечению слитка и тем самым к выравниванию температуры в зоне перегрева.
Таким образом, при разработке промышленных режимов нагрева титановых слитков, помимо протяженности и расположения перегретой зоны, необходимо еще учитывать величину общего перепада температур, которую можно регулировать подаваемой мощностью в период нагрева. Так, например, слиток диаметром 720 мм можно нагревать 4 ч при максимальной мощности, при этом температура центра слитка составит 860° С, поверхности 1175° С, а перегретой зоны 1290° С, а дальнейший нагрев проводить на пониженной мощности, при этом уже через 1 ч 10 мин температура промежуточной зоны и центра выравнивается и составляет 1015° С. При дальнейшем нагреве на этой мощности температура центра становится выше температуры поверхности и поэтому перед самой выгрузкой установку включают на 20—25 мин на максимальную мощность с целью подогрева поверхностных слоев. Нагрев по такой схеме обеспечивает перепад температур не выше 80—90 град.
С учетом сказанного режим нагрева слитков, в частности продолжительность повторного нагрева в зависимости от температуры и длительности отключения, устанавливают в соответствии с данными, приведенными в табл. 1.

Дополнительные трудности возникают при нагреве слитков в методических индукционных печах или в тех случаях, когда необходимо применять бутафорные слитки с торцов с целью устранения дополнительных температурных перепадов.
В работе показано, что максимальная температура, устанавливающаяся в зоне контакта токонесущих слоев двух слитков, может превышать температуру слитка в любой зоне примерно на 30 град. Авторы предложили торцовкой слитка устранить контакт поверхностей по токонесущей зоне. Проведенные опыты показали, что температура в месте контакта по бобышке на 120 град ниже, чем в наиболее нагретой зоне слитка. Режим нагрева слитков диаметром до 420 мм, в частности длительность повторного нагрева в зависимости от температуры и длительности отключения, приведен в табл. 1.
Нагрев заготовок меньшего размера в индукционных печах имеет свои особенности и связан с выбором оптимального соотношения между продолжительностью нагрева и перепадом температур поверхности и центра заготовки.
При решении вопроса о нахождении оптимального сочетания указанных факторов необходимо рассмотреть наиболее типичные кривые нагрева и охлаждения прутков диаметром 60 мм из титановых сплавов (рис. 6).
Из приведенных кривых видно, что возникающий перепад температур поверхности и центра, составляющий 180 и 250°С соответственно, уменьшается через 20—30 с и достигает 10—30 град. Это обстоятельство при необходимости быстро нагреть заготовку позволяет допускать значительный перепад температуры поверхности и центра заготовок с таким расчетом, что при последующих операциях транспортировки существующий перепад температур исчезает или становится минимальным.

Способы регулирования перепада температур по объему слитка следующие:
1) использование различных режимов по мощности в начальный, средний и конечный периоды нагрева;
2) оптимальное чередование включения и выключения установки;
3) использование времени транспортировки металла от печей к оборудованию для деформации с целью выравнивания температуры.
Для выравнивания температуры заготовки часто применяют специальные печи. В этом случае заготовку, форсированно нагретую в индукционной печи, переносят в печь, нагретую до необходимой температуры и выдерживают определенное время для выравнивания температурного поля.
При хорошем конструктивном решении такие комбинированные установки обеспечивают высокую точность нагрева заготовок перед деформацией при достаточно высокой производительности и компактности
Индукционный нагрев слябов имеет некоторые особенности. Он позволяет создавать малогабаритные установки, максимально механизировать процесс нагрева и обеспечивает резкое сокращение продолжительности нагрева. Из-за высокой скорости индукционного нагрева слябов создается возможность свести к минимуму окисление поверхности, что приводит к значительному улучшению качества поверхности листового проката.
С. Яицковым, М. Коротковым, Л. Хасаевой, В. Кудряшовым, С. Брестманом, Л. Краснюком был разработан промышленный вариант индуктора для нагрева плоских слябов. Опыты, проведенные на индукторе упрощенной конструкции, показали, что перепад температур по объему титанового сляба размером 210х1200х1400 мм при нагреве его до 1150° С составил 250—300 град. Большой перепад на первой опытной установке возникал из-за больших тепловых потерь в результате теплового излучения с поверхности сляба, различного на боковых гранях, углах и торцовых поверхностях, и неравномерности магнитного поля по длине индуктора.
Корректировка конструкции установки позволила резко сократить тепловые потери при нагреве сляба и снизить величину перепадов температуры до 80—100 град.
Время нагрева промышленных слябов до температуры 1100° C составляет сейчас 80—100 мин.