Технология электроконтактного нагрева заготовок

Как известно, появление опасных термических напряжений зависит не только от величины температурного перепада (разницы температур в поперечных сечениях двух соседних зон), но и от температурного градиента в переходной области между этими зонами.

Основательных и сколько-нибудь надежных исследований в этом направлении применительно к электроконтактнсму нагреву пока еще не проведено (были только сделаны грубые замеры температуры периферийной и центральной зон заготовок диаметром 60—70 мм), и опубликованных в литературе работ по этому вопросу то же нет.

Обычно принято считать, что температурный перепад между центральной и периферийной зонами не должен превышать 100° С (такой перепад принимается при индукционном нагреве). Так как технологические операции, следующие за нагревом, не зависят от способа нагрева, то указанный температурный перепад можно принять и для электроконтактного нагрева.

В результате исследований, проведенных в НИИТВЧ получена зависимость скорости индукционного нагрева от диаметра нагреваемых заготовок и различных частот при сохранении температурного перепада, равного 100° С, между центральной зоной и поверхностью.

Пользуясь этими экспериментальными кривыми, можно выразить время нагрева в функции отношения диаметра заготовок к глубине проникновения; можно предположить, что при одинаковом значении этого отношения время нагрева будет примерно одно и то же для заготовок с различными поперечными сечениями.

Рисунок 2.5 - График

Обычно принимается, что эта зависимость сохраняется для всех случаев, когда глубина проникновения тока при температурах выше точки Кюри больше радиуса цилиндрической заготовки или больше половины поперечного сечения прямоугольной детали или заготовки, независимо от частоты. В этом случае время нагрева заготовок можно определить из формулы:

τ = d22(5)

Так как глубина проникновения тока или толщина поверхностной зоны, по которой течет ток в стальной заготовке при температуре выше точки Кюри, составляет 70— 75 мм (для всех конструкционных, поделочных и для большинства специальных легированных сталей), то указанная зависимость (5) остается справедливой для всех заготовок диаметром 10—125 мм, которые могут быть подвергнуты нагреву электроконтактным способом. Время нагрева, определяемое из выражения (5), будет минимально допустимым для заготовок соответствующего диаметра при сохранении в них перепада температур между поверхностной и центральной зонами не более 100° С и температуре нагрева до 1100—1200° С. На рисунке 6 приведена зависимость времени электроконтактного нагрева от диаметра заготовок. Кривая 1 соответствует условию, определяемому формулой (5), кривая 2 отражает данные, рекомендуемые работниками Горьковского автозавода на основе первоначального опыта эксплуатации электроконтактных установок.

При сопоставлении кривых, показанных на рисунке 2.5, можно сделать следующие выводы:

1.Время нагрева, соответствующее зависимости, выраженной формулой (5), значительно меньше полученного по формуле (6).

Последнее соответствует температурному перепаду между центральной и поверхностной зонами поперечного сечения заготовки, равному менее 100° С, что подтверждается экспериментальными данными, отражающими изменение температуры центральной и поверхностной зон в процессе нагрева заготовки диаметром 70 мм с различной интенсивностью.

2.При определении времени электроконтактного нагрева, если его не ограничивает недопустимая неравномерность нагрева по длине, следует пользоваться кривой 1 на рисунке 2.5, соответствующей максимальной производительности нагревательной установки и допустимой степени равномерности распределения температуры по сечению заготовки.

Однако следует иметь в виду, что температурный перепад между указанными зонами изменяется в процессе нагрева. В начальный период нагрева температурный перепад больше допустимого, к концу же нагрева он становится меньше допустимого.

Перегрев, а часто и недогрев заготовок вблизи или под контактами недопустим технологически; перегрев вызывает оплавление заготовок или контактов и приварку их т. е, в конечном счете приводит к браку заготовок или выводу из строя контактов. Недогрев же вообще недопустим при нагреве заготовок под штамповку. Поэтому наиболее ответственной и еще полностью неразрешенной задачей является подводка тока к нагреваемым деталям при электроконтактном способе нагрева.

Рисунок 2.6-Зависимость температурного перепада между поверхностной и центральной зонами заготовки диаметром 70 мм от времени нагрева

Причина этих трудностей заключается в сложности физических явлений, происходящих в точках контактирования токоподводящего контакта с поверхностью нагреваемой детали. В месте соприкосновения имеется так называемое контактное сопротивление, величина которого зависит от многих и разнообразных по своей природе факторов. В переходном слое выделяется сравнительно большая тепловая энергия, отводимая от места контактирования за счет теплопроводности в ближайшие слои металла детали и контакта. В результате эти слои детали нагреваются быстрее всей остальной массы, так как в них помимо тепловой энергии электрического тока, выделяемой непосредственно в каждом элементарном объеме, прибавляется еще и указанная дополнительная энергия.

Так как активное сопротивление металла зависит от температуры и возрастает с ростом последней и так как тепловая энергия электрического тока пропорциональна сопротивлению, то слои и зоны заготовки, расположенные вблизи мест контактирования и доведенные с начала нагрева до больших по сравнению с остальной частью нагреваемой зоны заготовки температур, будут интенсивно нагреваться. Это приведет к перегреву их в процессе нагрева.

С другой стороны, элементарные участки нагреваемой детали, находящиеся под контактами, через которые протекает не весь ток, а только часть его и от которых тепло отводится контактом, будут иметь пониженную температуру по сравнению с температурой остальной части детали.

тепень неравномерности нагрева зависит от еще большего числа факторов, чем величина переходного сопротивления, являющегося основной, но не единственной причиной, оказывающей влияние на неравномерность распределения температуры по длине нагреваемой детали. Сложность заключается еще и в том, что и холодном состоянии, т. е. в начале нагрева, переходное контактное сопротивление и электрический ток особенно велики, а потому в месте контактирования выделяется в этот момент относительно большая тепловая энергия, вызывающая с самого начала интенсивный рост температуры в зонах поперечного сечения детали, прилегающих к токоподводящему контакту со стороны нагреваемой зоны этой детали.

В самом общем виде функциональную зависимость температурного перепада между перегретой зоной у контакта и остальной частью нагреваемой детали можно представить выражением:

∆t1,2 = φ (rп, I2 ,ψв ,d2, ψm, t2 ),(6)

где rп = φ (ркSк ψф) — сопротивление переходного контакта;

/2 — сила тока, протекающего во вторичной цепи;

ψв — функция, учитывающая интенсивность охлаждения контакта;

ψm — функция, учитывающая свойства материала и состояние

поверхности детали и контакта;

tз — температура нагрева перегреваемой зоны детали;

рк — давление на контакт;

SK — площадь контактирования;

ψф — функция, учитывающая форму контакта.

Выражение (6) наглядно показывает, насколько сложно выявить и установить, хотя бы приближенно, зависимость степени неравномерности нагрева от различных физических и технологических факторов, геометрических параметров и эксплуатационных условий.

Ниже приведены предельно допустимые скорости нагрева цилиндрических заготовок, установленные при эксплуатации электроконтактных заготовок и полученные при экспериментах.

Диаметр нагреваемой

детали в мм……………10.. 20..30..40..50..60..70

Время нагрева в сек……6..,15..40..60..80..100..120

При таких скоростях не наблюдается перегрева или оплавления нагреваемых заготовок или приварки их к токоподводящим контактам.

Другими словами, перегрева заготовок не наблюдается при перепаде температур, не превышающем 100° С, и при применении призматических медных радиальных зажимных контактов (давление на них 10 000—30 000 н) с осевыми размерами 50—60 мм.

Для сопоставления данных о времени нагрева, представленных выше, с расчетными, полученными по формуле (5), построена кривая 3 (рисунок 2.5). Из рисунка 2.5 видно, что практически применяемое время нагрева значительно больше расчетного.

Увеличение контактного давления, тщательная зачистка поверхности заготовок в местах контактирования, применение специальной формы контактов, устройства для охлаждения способствуют снижению продолжительности нагрева.

Однако все это связано с трудностями конструктивного и эксплуатационного характера, а поэтому в большинстве случаев используют практически применяемое время нагрева:

1. Наибольшую температуру имеет зона шириной 20—25 мм, отстоящая от торца заготовки на расстоянии 4—6 мм.

2.Положение этой зоны в процессе нагрева меняется — в начале нагрева она занимает место у самого торца (перегрет сам торец), а затем при повышении температуры зона постепенно перемещается в сторону от торца. При температуре 600—800° С температура на конце детали длиной 4—6 мм становится не только ниже температуры рядом расположенной зоны перегрева длиной 20—25 мм, но и ниже всей остальной (средней) части заготовки.

3.Степень неравномерности распределения температуры тем больше, чем больше ток.

Зависимость температурного перепада от тока количественно может быть выражена так: при изменении тока в 1,5 раза температурный перепад между зоной, перегрева и средней частью возрастает примерно в 1,5 раза, т.. е. можно сделать вывод о том, что изменение температурного перепада пропорционально току.

4. Наибольшее значение температурного перепада наблюдается в концевой зоне. Отставание роста температуры на конце заготовки от двух других зон объясняется отводом тепла от торца детали контактом, охлаждаемым водой.

5. Наибольшее значение температурного перепада наблюдается при температуре 700—1000° С.

Еще одним условием, лимитирующим скорость нагрева заготовок или производительность нагревательных устройств, является продолжительность протекания структурных и фазовых превращений. Приведенные выше скорости нагрева соответствующих типоразмеров заготовок значительно меньше тех, которые необходимы для указанных превращений, 'поэтому последнее условие при электроконтактном нагреве во внимание не принимается.

До сих пор речь шла о зависимости температурного перепада между зонами заготовки, расположенными близко от токоподводящего контакта, от различных факторов, но не о ширине зоны. Последняя существенно зависит от физических свойств материала заготовок, от формы поперечного сечения, а главным образом от теплопроводности и соотношения между площадью поперечного сечения и его периметром. Чем больше теплопроводность и указанное соотношение, тем больше ширина зоны перегрева. Это особенно необходимо иметь в виду в тех случаях, когда продолжительность нагрева очень мала, т. е. скорость нагрева большая, а длина нагреваемых заготовок небольшая, а перегрев широких зон заготовок у контактов недопустим. Но такого рода случаи не являются общими, хотя и нередко встречаются на практике. Вообще при контактном нагреве под гибку и штамповку целесообразнее использовать стали с большим коэффициентом теплопроводности, так как в этом случае при относительно большой ширине ион с различными температурами абсолютное значение температурного перепада будет относительно меньшим, при прочих равных условиях.

Эксперименты и практика эксплуатации электроконтактных установок показали, что при времени нагрева, близком к данным, приведенным выше, получается вполне удовлетворительная равномерность нагрева, с точки зрения требований, предъявляемых к равномерности нагрева заготовок подлине при радиальных и торцовых контактах.

2. Характеристика материала заготовок

Нагреву для последующей обработки давлением подвергаются преимущественно стальные заготовки, поэтому ниже рассматриваются характеристики и приводятся данные, относящиеся главным образом к стали.

Для электроконтактного нагрева существенное значение имеют следующие характеристики материала нагреваемых заготовок: теплоемкость, теплопроводность, магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление.

Все они в большей или меньшей степени оказывают влияние на режим нагрева, его технологические особенности и на технико-экономические показатели работы электроконтактной установки. Поэтому знание закономерностей, свойственных каждой из этих характеристик, и технологических особенностей режима нагрева необходимо для рационального и эффективного применения данного способа нагрева в каждом конкретном случае.

Теплоемкость материала является фактором, определяющим "количество тепловой энергии, которую необходимо сообщить нагреваемой части заготовки для нагрева ее до заданной температуры.

Теплоемкость большинства материалов, в том числе и стали, зависит от температуры нагрева, поэтому теплосодержание массы материала нагреваемой детали или заготовки, необходимое для повышения температуры до заданного значения, зависит от этого значения.

На рисунке 3.1 приведена зависимость теплоемкости и теплопроводности сталей от температуры . Из фигуры видно, что теплоемкость до температуры 450—500" С изменяется незначительно, при 500—800о С она изменяется резко, затем снова незначительно, а при температуре свыше 1000° С она остается почти постоянной (даже несколько падает).

Рисунок 3.1 - График

При расчете характеристик электроконтактных нагревательных установок удобно пользоваться средней теплоемкостью для заданных температур нагрева, по которой и определяется теплосодержание, потребное для нагрева данной массы металла до соответствующей температуры.

Теплопроводность материала нагреваемой детали и контакта играет довольно большую роль при электроконтактном нагреве и оказывает влияние на следующие технологические показатели: на скорость выравнивания температуры по поперечному сечению нагреваемой детали и по длине, а следовательно, и на производительность установки; на возможность оплавления заготовки под контактами и сварки детали с контактом, а это, в свою очередь, сказывается на конструкции контактов и допустимом токе.

Скорость выравнивания температуры тем быстрее, чем больше теплопроводность материала. Поэтому детали, обладающие большим коэффициентом теплопроводности, в меньшей степени склонны к неравномерному распределению температуры по длине, так как тепловая энергия, выделяемая в переходном контактном сопротивлении, отводится быстрее и в больший объем детали, следовательно, температура этой, хотя и более широкой, зоны будет относительно ниже.

Выравнивание температуры по сечению детали облегчается в большей степени, чем выше теплопроводность, так как при этом тепловая энергия, сконцентрированная в начальный период нагрева в сравнительно узком поверхностном слое детали, интенсивней отводится в центральную зону, что приводит к уменьшению температурного перепада между поверхностной и центральной зонами и выравниванию температуры по длине.

Следовательно, величина температурного перепада по сечению становится меньше в тем большей степени, чем больше теплопроводность.

Изучение характера и степени влияния теплопроводности осложняется еще и тем, что коэффициент теплопроводности, как и теплоемкость, изменяется в процессе нагрева в зависимости от температуры.

Важную, а иногда и решающую роль теплопроводность материала играет при торцовом нагреве (деталь зажимается с торцов) и при электроконтактной высадке металлов. В этих случаях режим нагрева, скорость протекания процесса высадки, а следовательно, и производительность, качество нагрева и набора металла или высадка изделия зависят от теплопроводности материала обрабатываемой детали.

Не менее важное значение имеет теплопроводность токоподводящего зажимного торцового контакта, так как от того, насколько интенсивно тепло отводится от нагреваемой детали с торца в толщу контакта, зависит перегрев или недогрев конца детали, а также оплавление и сварка контактирующих участков детали и контакта.

О роли теплопроводности при торцовом нагреве можно сказать следующее:

1. Если теплопроводность материала контакта и детали мала, то неизбежен перегрев конца детали.

2. Если теплопроводность материала детали мала, а контакта велика, то конец детали будет недогрет, а зона детали, находящаяся на небольшом расстоянии от торца, будет перегрета.

3. Существуют оптимальные значения коэффициентов теплопроводности материала детали и контакта, при которых условия нагрева будут наиболее благоприятными.

Магнитная проницаемость. Так как при электроконтактном нагреве используется переменный ток промышленной частоты ( 50 периодов), то, как уже указывалось, в нагреваемых телах в и большей или меньшей степени наблюдается явление скинн-эффекта, влияние которого зависит не только от геометрических размеров поперечного сечения тела и его удельного электрического сопротивления, но и от магнитной проницаемости. Последняя оказывает существенное влияние на следующие характеристики нагреваемой детали и нагревательной установки: на электрическое (активное и реактивное) сопротивление детали, а следовательно, и на технико-экономические показатели электроконтактной установки; на степень неравномерности распределения температуры по сечению нагреваемой детали, а следовательно, и на скорость нагрева; па энергетические характеристики режима нагрева (тока, мощности и напряжения), изменяющиеся в процессе нагрева в зависимости от изменения магнитной проницаемости.

Такое влияние магнитной проницаемости объясняется тем, что толщина поверхностного слоя детали, в котором концентрируется ток, тем меньше, чем больше проницаемость.

Как известно, сущность явления скинн-эффекта заключается и том, что электрический ток распределяется неравномерно по поперечному сечению нагреваемой детали, концентрируясь в периферийном слое определенной толщины.

Чем больше магнитная проницаемость, тем меньше глубина слоя концентрации тока и тем более резко выражена неравномерность распределения тока в этом слое.

Дли упрощения расчетов неравномерное распределение переменного тока заменяется условно током постоянного значения, равным току на поверхности детали, распределенному в поверхностном слое определенной толщины, и носящим название глубины проникновения тока. Последняя определяется из условия одинаковой тепловой эффективности неравномерно распределенного тока с равномерно распределенным на глубину проникновения и равного по величине значению тока на поверхности.

Исходя из этого условия глубину проникновения δ (в см) можно определить из формулы:

 (7)

Где ς - удельное электрическое сопротивление в ом-см;

f — частота тока в гц;

μ— магнитная проницаемость материала детали.

Из формулы следует, что глубина проникновения обратно пропорциональна корню квадратному из магнитной проницаемости. Следовательно, значение величины μ для данного материала в известной степени определяет значение указанных выше характеристик. Однако вопрос осложняется тем, что μ находится в своеобразной зависимости от температуры и тока. Поэтому изменение соответствующих характеристик детали и нагревательной установки в процессе нагрева определяется преимущественно характером зависимости магнитной проницаемости от температуры и в меньшей степени от тока.

До температуры точки Кюри, различной для различных материалов, магнитная проницаемость почти не изменяется или изменяется очень незначительно. При переходе через точку Кюри магнитная проницаемость независимо от дальнейшего повышения температуры быстро падает до постоянной величины.

Исходя из этого можно сделать вывод, что и указанные выше характеристики, зависящие от магнитной проницаемости, претерпевают аналогичные изменения, когда деталь достигнет температур, близких к температуре точки Кюри. Однако это не так — изменение характеристик происходит плавно во всем диапазоне температур нагрева.

Изложенное может быть объяснено следующим образом:

1.   Явление скинн-эффекта при использовании тока промышленной частоты сравнительно слабо выражено.

2.   На изменение тока и мощности, кроме магнитной проницаемости, влияют и другие факторы, в частности, удельное электрическое сопротивление, возрастающее с ростом температуры.

Зависимость магнитной проницаемости от тока (напряженности магнитного поля) показана на рисунке 3.2

Из кривой видно, что при определенном значении тока или напряженности магнитного поля магнитная проницаемость достигает максимума, после которого она сравнительно быстро падает до примерно постоянного значения, мало изменяющегося с дальнейшим повышением тока.

Рисунок 3.2 - Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля

При электроконтактном нагреве магнитная проницаемость лежит, как правило, далеко справа от максимума кривой на рисунке 3.2. Поэтому изменение проницаемости от тока при электроконтактном нагреве не учитывают, считая ее постоянной для соответствующего интервала температур.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5